Full Text

Вентильно-индукторный привод (ВИП) является перспективным электромеханическим преобразователем энергии. Он имеет простую конструкцию активной части, надежен в работе, технологичен в изготовлении, обладает высокими энергетическими показателями. ВИП изготавливается широким мощностным рядом от нескольких ватт до сотен киловатт и используется в различных отраслях промышленности и транспорта [1-6]. В настоящее время производство и выпуск этих машин освоили многие ведущие компании, такие как: «General Electric», «Siemens», «Bosch Rexroth», «Land Rover» и т.д. Благодаря своим преимуществам ВИП имеют перспективу применения в технических устройствах, питаемых от автономных источников электроэнергии, например, электромобилях, роботах, летательных и подводных аппаратах, приводных механизмах, работающих в местах, отдаленных от централизованного электроснабжения. Вентильно-индукторный привод содержит вентильно-индукторный двигатель, преобразователь частоты и датчик положения ротора (ДПР). Преобразователь частоты состоит из выпрямителя с фильтром (при питании привода от звена переменного тока) и инвертора. Сдерживающим фактором практического применения ВИП была необходимость принятия ряда мер по снижению шума и вибраций, снижению пульсаций электромагнитного момента и улучшению ряда других характеристик, в том числе повышению надежности силового преобразователя и снижению его стоимости. Совершенствование силовой полупроводниковой техники и схемотехнических решений открывает для этого определенные возможности. Обычно к преобразователям ВИП предъявляют следующие требования [7, 8]: - каждая фаза ВИД должна иметь, по крайней мере, один полупроводниковый ключ, чтобы иметь возможность самостоятельно проводить коммутацию. Ток должен подаваться в обмотку в течение заданного интервала проводимости, точно согласованного с положением ротора, чтобы обеспечить заданный режим работы; - преобразователь должен иметь возможность контролировать и регулировать фазный ток. Это особенно важно при работе с низкой частотой вращения, где фазный ток должен удерживаться на требуемом уровне на протяжении интервала проводимости; - схема должна обеспечивать возможность в двигательном режиме быстро подключить полное напряжение источника к обмотке фазы (положительный контур); - преобразователь должен иметь возможность после отключения фазы не прикладывать напряжение к фазе для постепенного спадания тока (нулевой контур); - после отключения фазы преобразователь должен иметь возможность принудительно довести фазовый ток до нуля или близко к этому значению, прежде чем начнется генераторный режим работы, чтобы как можно быстро снизить ток даже на высоких скоростях. Это достигается путем приложения фазного напряжения с отрицательной полярностью к обмотке двигателя (отрицательный контур); - одним из главных преимуществ ВИД является отказоустойчивость, поскольку каждая фаза является электрически независимой, что позволяет продолжать работу, если одна или несколько фаз неисправны. Преобразователь должен быть аналогичным образом структурирован, чтобы обеспечить независимую работу фаз и отказоустойчивость; - преобразователь должен иметь возможность одновременно питать несколько фаз, обеспечивая работу фаз с перекрытием; - желательно применять наиболее простую топологию преобразователя с минимальным количеством полупроводниковых ключей. а б Рис. 1. Схема питания и замещения фазы ВИМ: а - классическая схема питания фазы ВИМ; б - схема замещения ВИМ На рис. 1, а представлена наиболее распространенная схема питания фазы обмотки ВИД, содержащая источник, два транзисторных ключа VT1, VT2 и два обратных диода VD1, VD2, а также конденсатор C. Ключ VT1 нужен для регулирования тока, ключ VT2 определяет, активна ли данная фаза, конденсатор выполняет функцию фильтра и накопителя энергии для обмена ею с обмоткой W. На рис. 1, б изображена соответствующая расчетная схема замещения фазы обмотки ВИД, где R0 - внутреннее сопротивление источника питания; R и L - сосредоточенные параметры фазы обмотки ВИМ (активное сопротивление и индуктивность); K1...K4 - идеальные ключи, коммутирующие обмотку с источником питания по сигналу датчика положения ротора ВИП. Данная схема называется «асимметричный полумостовой преобразователь». Особенностью работы такой схемы является то, что между управляемыми ключами всегда включена индуктивность (фазная обмотка), ограничивающая скорость нарастания тока. Это практически исключает сквозные короткие замыкания в инверторе, которые свойственны классическим схемам инверторов для питания асинхронных двигателей с частотным управлением и для вентильных двигателей синхронного типа. Предлагается силовая схема питания ВИП с одним силовым ключевым элементом (транзистором) для коммутации каждой из фаз [9], в то время как наиболее употребительной в настоящее время является полумостовая силовая схема питания ВИМ, имеющая два ключевых элемента. Сокращение количества относительно дорогих силовых элементов позволит снизить стоимость преобразователя и упростить его силовую часть. Одноключевая схема (рис. 2, а) содержит два независимых гальванически развязанных источника постоянного напряжения, два конденсатора, диод, полупроводниковый ключ и статорную обмотку фазы ВИД, разделенную на две полуобмотки. а б в г Рис. 2. Силовая схема питания фазы ВИМ и токи в схеме замещения: а - силовая схема питания фазы ВИМ с меньшим количеством силовых полупроводниковых элементов; б - токи в схеме замещения при замыкании ключа; в - токи в схеме замещения при размыкании ключа; г - токи в схеме замещения при замыкании ключа для одного контура Плюс первого источника E1 соединен с плюсом первого конденсатора C1, началом первой полуобмотки L1 и катодом диода VD; минус источника E1 соединен с первым выводом ключа VT, с минусом первого конденсатора C1 и с началом второй полуобмотки L2; плюс второго источника E2 соединен со вторым выводом ключа VT, с плюсом второго конденсатора C2 и концом первой полуобмотки L1; минус второго источника E2 соединен с минусом второго конденсатора С2, концом второй полуобмотки L2 и с анодом диода VD, причем параметры первого и второго источников удовлетворяют следующему условию: U1 = U2, (1) где U1 и U2 - напряжение первого и второго источника соответственно. Электропривод одноключевой работает следующим образом. В исходном состоянии (рис. 2, б), когда VT разомкнут и выполняется условие равенства напряжений U1 и U2, ток в полуобмотках L1 и L2 ВИД отсутствует, конденсаторы С1 и С2 заряжены. При замыкании VT через полуобмотки L1 и L2 протекает ток по следующим цепям: источник Е1 - полуобмотка L1 - VT - источник Е1; конденсатор С1 - VT - полуобмотка L1 - конденсатор С1, источник Е2 - полуобмотка L2 - VT - источник Е2; конденсатор С2 - VT - полуобмотка L2 - конденсатор С2. При этом в ВИД происходит преобразование электромагнитной энергии в механическую (положительные контуры напряжения). При размыкании VT энергия (рис. 2, в), накопленная в индуктивных полуобмотках L1 и L2, заряжает конденсаторы С1 и С2 по следующим цепям: полуобмотка L1 - конденсатор С2 - VD - полуобмотка L1; полуобмотка L2 - VD - конденсатор C1 - полуобмотка L2 (контуры зарядки). Далее цикл повторяется. При разомкнутом ключе VT и переключении полярности источников отрицательное напряжение подается на фазу через диод VD (отрицательные контуры напряжения). Рассмотрим работу одноключевой схемы. Для этого используем метод наложения и разобьем схему на два одинаковых контура (рис. 2, г). Запишем уравнения для электрических цепей силовой схемы питания ВИП [10-12]: (2) (3) (4) (5) Сведем полученные уравнения в систему (5) и приведем ее к форме Коши, удобной для использования стандартных пакетов прикладных программ при решении систем дифференциальных уравнений. Получаем систему уравнений, идентичную классической полумостовой схеме. Система уравнений для второго контура аналогична. С целью расчета переходных электромагнитных и электромеханических процессов ВИП дополним систему уравнений выражением для электромагнитного момента (6): , (6) где - коэнергия первой полуобмотки фазы, (7) Электромагнитный момент, развиваемый первой полуобмоткой фазы, находим по формуле: , (8) где J - момент инерции вращающихся частей ВИД; TL - момент сопротивления; B - коэффициент трения. Таким образом, поскольку обмотка фазы разделена на две равные полуобмотки, то система уравнений для фазы имеет следующий вид: (9) Анализируя полученную систему уравнений, делаем следующие выводы: - поскольку обмотка фазы разделена на две равные полуобмотки, следовательно, для сопоставления классической и перспективной схем примем следующие параметры: L1 = L2 = L/2, R1 = R2 = R/2, E1 = E2 = E/2, тогда мы получим одинаковые для схем токи и соответственно моменты; - через полупроводниковый ключ течет полный ток ; - одноключевая схема позволяет реализовать раздельное питание катушек ВИД; - одноключевая схема удобна для эксплуатации на устройствах, питаемых от автономных источников электроэнергии (аккумуляторов, накопителей энергии), так как возможно реализовать два независимых гальванически развязанных, равных источника постоянного напряжения. Для проверки расчетов рассмотрим режим работы ВИД с использованием одной фазы машины. Так же используем параллельное соединение катушек обмотки и в классической схеме, и в одноключевой схеме, что позволит получить эквивалентные по активному и реактивному сопротивлению обмотки [13-17]. Методом конечных элементов в ходе решения полевой задачи определяем зависимость потокосцепления фазы ВИД от тока и угла поворота ротора c помощью программного обеспечения FEMM, предварительно задав свойства материалов и обмоточные данные электрической машины. В системе MatLab/Simulink получаем основные характеристики ВИД (рис. 3, 4). Для питания ВИД были выбраны одинаковые источники (310 В) [18-20]. а б Рис. 3. Компьютерные модели ВИД в программном комплексе MatLab/Simulink: а - классическая расчетная схема ВИД; б - одноключевая расчетная схема ВИД По результатам имитационного моделирования классической и одноключевой схемы питания фазы ВИМ в программном комплексе MatLab/Simulink получены идентичные графики токов в обмотке и моментов (рис. 5, а и б), идентичные по форме и отличающиеся в два раза по амплитуде значения токов и напряжений на ключе (для классической схемы - 27,7 А и 310,8 В, для одноключевой схемы - 55,5 А и 620,8 В) (рис. 5, в и г) и диоде (для классической схемы - 19,5 А и 309 В, для одноключевой схемы - 39,3 А и 619 В) (рис. 5, д и е). Рис. 4. Блок Converter одноключевой схема ВИД в программном комплексе MatLab/Simulink а Рис. 5. Графики расчетов: а - токи в обмотке; б - моменты; в - токи в ключе; г - напряжения в ключе; д - токи на диоде; е - напряжения на диоде б в г Рис. 5. Продолжение д е Рис. 5. Окончание Анализ рынка полупроводников техники показывает, что цены на диоды с прямым током 19,5 А, обратным напряжением 309 В и 39,3 А, 619 В соответственно отличаются не существенно, так же как и цены на IGBT-транзисторы с максимальным током 27,7 А, напряжением катод-электрод 310,8 В от цен на транзисторы с током 55,5 А и напряжением 620,8 В. Выводы: 1. Предлагаемая схема питания фазы ВИМ с одним ключевым элементом на одну фазу позволяет уменьшить количество силовых полупроводников и снизить стоимость преобразователя. 2. Одноключевая схема требует два независимых гальванически развязанных источника и наиболее удобна для питаемых от автономных источников электроэнергии электроприводов, например, на электромобилях, роботах, летательных и подводных аппаратах.

About the authors

V. Yu Smachney

Rostov State Transport University

A. V Shevkunova

Rostov State Transport University

S. V Shutemov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 76

PDF (Russian) - 30

Refbacks

• There are currently no refbacks.