Регулируемый электропривод переменного тока с вентильным двигателем (ВД)

Единственным способом регулирования скорости синхронного двигателя является частотное, что следует из выражения для угловой скорости . Такое управление иногда применяется в разомкнутых системах электропривода с СД. Но чаще оно реализуется в электроприводах с вентильными двигателями (ВД).

Вентильный двигатель представляет собой единую систему, состоящую из синхронного двигателя СД и преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока или с непосредственной связью (НПЧ), вентили которого коммутируются в функции положения ротора или магнитного потока. Обмотка возбуждения двигателя, располагается на роторе, питается от постороннего источника постоянного тока. Есть двигатели с возбуждением постоянными магнитами. В электроприводах небольшой мощности чаще всего используется именно такое возбуждение.

Вентильный коммутатор, т.е. инвертор, управляемый в функции положения ротора, выполняет роль коллектора обычной машины постоянного тока. Он присоединяется к обмотке статора СД и осуществляет распределение постоянного тока с преобразованием его в переменный. Последовательность переключения тока статора и связанная с этим очередность включения тиристоров инвертора определяется датчиком положения ротора (ДПР).

Синхронный двигатель, работающий совместно с таким инвертором приобретает свойства машины постоянного тока и иногда его называют бесколлекторной машиной постоянного тока БМПТ. Механические характеристики ВД аналогичны характеристикам двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

Преимущества ВД по сравнению с машиной постоянного тока – отсутствие коллектора, что повышает надежность, позволяет питать двигатель повышенным напряжением, следовательно, осуществлять бестрансформаторное подключение силовой части электропривода к сети. Так, электропривод ЭПБ-1, выполненный на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе, питается напряжением 520В постоянного тока, что позволяет подключать к сети 380В без трансформатора.

Момент, возникающий в ВД (как синхронной машине) подчиняется зависимости

, где

q – угол между осями полей статора и ротора (между векторами потокосцеплений)

Р_П – число пар полюсов машины;

Знак минус означает, что направление момента всегда противоположно направлению угла рассогласования q.

С целью ограничения изменений момента электронная система регулирования обеспечивает изменение угла q (в окрестностях 90⁰⁾ в диапазоне ±30⁰ (в ту и другую сторону), как показано на угловой характеристике СД (рис. 5.16.1). Именно такое регулирование и осуществляется тиристорным коммутатором, т.е. инвертором, в функции положения ротора. Физическое (пространственное) положение ротора определяется с помощью датчика положения ротора (ДПР), находящегося на валу двигателя.

Датчик положения ротора состоит из трех пар светофотодиодов, жестко привязанных к статору, в зазоре между которыми вращается диск, закрепленный на валу ротора. На диске по его периметру имеются прорези (см. рис. 5.16.2).

Угловая длина прорези на диске определяется как , а угловое расстояние между парами светофотодиодов как . Так, если Р_П=1, диск имеет одну прорезь с угловым размером 180⁰, а пары светофотодиодов разнесены в пространстве на 120⁰. При Р_П=4 на диске 4 прорези (см. рис.) с угловым размером , а пары светофотодиодов отделены друг от друга в пространстве на угол .

Выходные сигналы ДПР схемой распределения преобразуются в 120 градусные импульсы управления тиристорами, обеспечивая, таким образом, проводящее состояние каждому тиристору в течение 120⁰ за один период сигнала ДПР. Иначе говоря, при вращении ротора 3 пары светофотодиодов вырабатывают 3 последовательных импульса, сдвинутых во времени по отношению друг к другу на 120⁰. По передним фронтам этих импульсов осуществляется включение нечетных тиристоров коммутатора (первого, третьего, пятого), а по задним фронтам – четных (второго, четвертого, шестого). Длительность включенного состояния тиристоров соответствует интервалу проводимости 120⁰. Коммутация тока происходит 6 раз за один период сигнала ДПР.

Алгоритм работы ДПР при одной паре полюсов можно проследить по схеме рис. 5.16.3. В приведенной таблице показана последовательность включений тиристоров. Во включенном состоянии одновременно находятся два тиристора из шести.

Изображенные на схеме транзисторные высокоамперные ключи КЛ1 и КЛ2 выполняют две независимые функции:

а) Обеспечивают режим коммутации тока с тиристора на тиристор ввиду невозможности самостоятельного выключения тиристоров, т.к. поскольку тиристоры ТК в силовой схеме подключаются к источнику постоянного напряжения, то для их отключения (и восстановления ими запирающих свойств) необходимо кратковременно разрывать силовую цепь ТК.

б) Обеспечивают поддержание заданной величины тока через обмотки двигателя, т.е. участвуют в регулировании тока.

Функция коммутации тока с тиристора на тиристор выполняется путем полного отключения ТК от источника питания. Транзисторы КЛ1 и КЛ2 в этом случае закрываются, протекание тока через тиристоры ТК прекращается, и они восстанавливают свои запирающие свойства, а реактивный ток i_L двух фаз обмоток двигателя через два диода трехфазного выпрямительного моста возврата реактивной энергии замыкается на источник питания, перезаряжая его. Время обесточенного состояния ТК составляет » 300 мкс.

В вентильных двигателях средней и большой мощности при скоростях (100¸3000)^об/_мин часто используют СД обычной конструкции и естественную коммутацию вентилей инвертора (ТК) в функции напряжения статора двигателя. Такие ВД применяются главным образом в приводах с мало- и медленно изменяющейся длительной нагрузкой. ВД на скорости <100 и >3000 ^об/_мин не могут быть выполнены на основе СД обычной конструкции. Для ВД создаются СД специальных конструкций, в частности, бесщеточные с возбуждением постоянными магнитами. Они выполняются мощностью до 30кВт с максимальной скоростью 3000 ^об/_мин, а также многополюсные тихоходные с числом полюсов более 12.

Бесконтактные (бесщеточные) СД мощностью от 30 до 200 кВт при 3000^об/_мин выполняются с обмоткой возбуждения, расположенной в тех же пазах, что и трехфазная обмотка якоря. Ротор представляет безобмоточный магнитопровод, напоминающий зубчатое колесо, через зубцы которого замыкается магнитный поток обмотки возбуждения и обмотки якоря. Ротор вращается синхронно с полем, создаваемым током трехфазной обмотки статора, является в этом случае якорем.

Т.к. ДВ имеет характеристики как у машины постоянного тока независимого возбуждения, то все способы регулирования его скорости характеризуются такими же показателями, что и у ДНВ, (изменением U и Ф). Но энергетические показатели регулирования в случае преобразователя частоты (АИН) у ВД хуже, чем у ДНВ из-за двукратного преобразования энергии. Несколько хуже и стабильность скорости и, как следствие, меньше диапазон регулирования вниз от основной скорости, т.к. механические характеристики его мягче, чем у ДНВ той же мощности.

У ВД можно получить и характеристики двигателя последовательного возбуждения, если обмотку возбуждения включить последовательно в цепь выпрямленного тока на входе инвертора. Но в отличие от свойств обычного ДПВ за счет применения системы подчиненного регулирования тиристорами управляемого выпрямителя (от которого питается инвертор), которая уменьшает напряжение на статоре и ток в нем при снижении нагрузки, характеристики вентильного двигателя оказываются примерно такими же, как и у ДНВ с w₀ и являются практически линейными. Возможен и генераторный режим с рекуперацией энергии в сеть. В этом случае УВ переводится в инверторный режим, а УИ – в выпрямительный (при w>w₀).

Применение ВД перспективно для мощных тихоходных электроприводов, например, для шаровых мельниц, и сверхбыстроходных (до 10000 ^об/_мин) сверхмощных электроприводов, например, нагнетателей, в асинхронных электромеханических каскадах. Широко применяются ВД в станочном электроприводе, в шаговом электроприводе и др.