Вентильно-индукторный электропривод: современное состояние и перспективы развития

      Министерство образования и науки  Украины 

     Национальный  технический университет 

     “Харьковский  политехнический институт” 
 
 
 
 
 
 

     РЕФЕРАТ

на тему «Вентильно-индукторный электропривод:

современное состояние и перспективы развития»

 
 
 
 
 
 
 

     Выполнил: ст.гр. ТМ-26б  Завгородний А.М. 

Проверил: доц.     Буряковский С.Г. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Харьков 2011

Содержание.

1. Введение………………………………………………………………………………. 3

2. Определение и структурная схема вентильно–индукторного двигателя………….4

3. Особенности ВИД……………………………………………………………………..6

4. Области применение ВИД…………………………………………………………… 9

5. Достоинства и недостатки ВИД……………………………………………………... 14

6. Особенности конструкции индукторной машины………………………………….17

7. Принцип работы ВИД………………………………………………………………...19

8. Шумы и вибрации ВИД……………………………………………………………… 23

9. Заключение……………………………………………………………………………. 24

10. Литература……………………………………………………………………………25 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение.

     Электрические приводы потребляют более половины всей производимой в мире электроэнергии и постоянно расширяют сферу своего применения. Все известные типы электрических машин, составляющих основу электроприводов, были изобретены еще в XIX веке, но к середине XX века широкое распространение получили только те, которые могли подключаться непосредственно к питающей сети. Это традиционные коллекторные двигатели постоянного тока, асинхронные и синхронные двигатели. Достижения в силовой и управляющей электронике привели к созданию в конце XX века надежных статических электрических преобразователей, обеспечивающих возможность плавного регулирования выходных координат электропривода и получения требуемого по технологии режима движения. Это радикально изменило возможности традиционного массового электропривода с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором по оптимизации режимов работы, экономии электроэнергии и других ресурсов. Одновременно возникла целая гамма новых электроприводов с различными типами электромеханических преобразователей. Среди них особенно выделяется один - вентильно-индукторный (ВИП) или (в англоязычной литературе) - Switched Reluctance Drive (SRD). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Определение и структурная схема вентильно–индукторного двигателя.

     В начале 80-х годов прошлого века в  иностранной научно-технической  информации появились материалы  о новом типе электрической машины - SRM (Switched Reluctance Motor) и электрического привода на ее основе - SRD (SR Drive). В отечественной литературе он получил акроним ВИП - вентильно-индукторный привод. С тех пор до конца столетия лавинообразно нарастало количество докладов на эту тему на различных конференциях, статей в журналах, постоянно росло число институтов и фирм, участвующих в разработке различных проектов в области SRD-технологии.

     Этот  тип двигателя (как, впрочем, и все  остальные электрические машины) был изобретен еще в XIX веке, впервые практически применен в 20-х годах прошлого века и начал широко применяться с начала 60-х в периферийный устройствах ЭВМ (приводы считывающих головок дисководов, принтеры, графопостроители) и в так называемых приборных системах, требующих относительно небольшой мощности (от долей до сотен Вт), но достаточно высокой точности позиционирования.

     Создателем SRD принято считать профессора П. Лоуренсона. Основываясь на накопленном к тому времени опыте разработки и эксплуатации шагового электропривода, он первым перешел к освоению его силовой версии. Предпосылкой к этому служили разработка и освоение массового производства мощных полупроводниковых транзисторов, способных в ключевом режиме коммутировать токи в десятки, а теперь и в сотни ампер, при напряжении в сотни вольт. Кроме того, стремительно росли возможности микропроцессорных систем управления, снимая ограничения на сложность реализуемых алгоритмов. В совокупности это привело к освоению производства статических преобразователей частоты с высокими удельными и энергетическими показателями и массовому переходу от нерегулируемого к частотно-регулируемому электроприводу на базе традиционных асинхронных (АД) и синхронных двигателей (СД).

       Вентильно–индукторный двигатель – это относительно новый тип электромеханического преобразователя энергии, который сочетает в себе свойства и электрической машины, и интегрированной системы регулируемого электропривода. Как всякий электродвигатель, он обеспечивает преобразование электрической энергии, которая поступает от питающей сети, в механическую энергию, передаваемую в нагрузку. Как система регулируемого электропривода, ВИД дает возможность осуществлять управление этим процессом в соответствии с особенностями конкретной нагрузки: регулировать частоту вращения, момент, мощность и так далее. ВИД представляет собой достаточно сложную электромехатронную систему, структурная схема которой приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная  схема ВИД. 

      В ее состав входят: индукторная машина (ИМ), преобразователь частоты, система управления и датчик положения ротора (ДПР). Функциональное назначение этих элементов ВИД очевидно: преобразователь частоты обеспечивает питание фаз ИМ однополярными импульсами напряжения прямоугольной формы; ИМ осуществляет электромеханическое преобразование энергии, система управления в соответствии с заложенным в нее алгоритмом и сигналами обратной связи, поступающими от датчика положения ротора,  управляет данным процессом. По своей структуре ВИД ничем не отличается от классической системы регулируемого электропривода. Именно поэтому он и обладает всеми ее свойствами. Однако в отличие от регулируемого электропривода, например с асинхронным двигателем, ИМ в ВИД не является самодостаточной. Она принципиально неспособна работать без преобразователя частоты и системы управления. Преобразователь частоты и система управления являются неотъемлемыми частями ИМ, необходимыми для осуществления электромеханического преобразования энергии. Это дает право утверждать, что совокупность структурных элементов, представленных на рис. 1, является не только системой регулируемого электропривода, но и электромеханическим преобразователем энергии. 
 

3. Особенности ВИД.

     Общие особенности

     Во-первых, это предельно простая, технологичная, дешевая и надежная конструкция  собственно двигателя. В нем отсутствуют существенно усложняющие технологию производства постоянные магниты, цена которых иногда составляет до половины цены всего электропривода. Отсутствует операция заливки ротора, неизбежная при производстве 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.

     Во-вторых, поскольку сила притяжения ферромагнитного  якоря в электромагните не зависит  от направления тока в катушке, фазы ВИМ питаются однополярными импульсами тока, что позволяет выбрать более  надежную конфигурацию силовой схемы в сравнении с преобразователем частоты для асинхронного электропривода. Применение схемы несимметричного моста устраняет принципиальную возможность возникновения сквозных коротких замыканий в плече инвертора, не требует введения так называемого мертвого времени и компенсации его влияния на форму выходного напряжения, характерного для типовой трехфазной мостовой схемы инвертора, формирующего синусоидальные напряжения и токи за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) интервалов работы силовых ключей. Питание фаз ВИМ прямоугольными импульсами напряжения устраняет необходимость в ШИМ, что уменьшает динамические потери в силовых транзисторах, улучшает условия их охлаждения, увеличивает КПД статического преобразователя.

     В-третьих, по мнению ряда авторов, основанном как  на теоретических расчетах, так и  на сравнении конкретных образцов двигателей, ВИП по основным массогабаритным  и энергетическим показателям не уступает и даже превосходит частотно-регулируемый асинхронный привод. Это утверждение у скептиков вызывает наибольшее недоверие, поскольку их доводы основываются на известном факте, что синхронные реактивные двигатели традиционной конструкции имеют низкие энергетические и удельные показатели. Однако и сторонники ВИП в основном приводят только результаты сравнения, но не дают детального анализа причин получаемых преимуществ.

     Большое разнообразие структур магнитной системы  ВИМ (различные отношения ZS/ZR - базовые  варианты 6/4, 8/6, 10/8 а также их мультипликация 12/8, 16/12 и др.,), возможность варьирования в достаточно широких пределах соотношений главных размеров машины, размеров и формы зубцов, различные способы коммутации фаз делают этот привод хорошо применимым как в низко- (сотни об/мин), так и высокооборотных (десятки тысяч об/мин) версиях. Благоприятные функциональные особенности и регулировочные свойства ВИП - большие моменты при низких скоростях, гибкое управление скоростью, простая реализация тормозных режимов вплоть до нулевой скорости и т. п. - делают этот привод весьма привлекательным для широкого класса применений.

     Наконец, ВИП имеет уникальную устойчивость к отказам отдельных элементов. Ни одна из традиционных электрических  машин не может работать (по крайней  мере, долго) с оборванной или закороченной фазой, поскольку в них существуют сильные магнитные связи между фазами статора, а отклонения от кругового вращающегося магнитного поля вызывают резкую асимметрию и возрастание токов в работающих фазах. Отсутствие магнитной связи между фазами ВИП позволяет работать каждой фазе независимо от других. Отключение одной и даже нескольких фаз приводит только к пропорциональному снижению выходной мощности и возрастанию пульсаций момента, но сохраняет привод в рабочем состоянии. Потеря мощности частично может быть компенсирована за счет увеличения нагрузки на оставшиеся фазы, если имеется надлежащий запас по допустимым токам фаз и силовых ключей. Выход из строя одного из силовых транзисторов в плече типового инвертора вызывает «сквозное» короткое замыкание источника питания, защитой от которого может быть только отключение привода. Поскольку в ВИП используется несимметричная мостовая схема, в плечах которой включены транзистор и диод, при отказе любого из них токовая защита по току источника может заблокировать работу неисправной фазы через отключение оставшегося работоспособным ключа, а ВИП будет продолжать работать.

     Сходство  и отличие между ВД и синхронными  двигателями.

      Сходство.

      1. Пропорциональность между частотой вращения ротора ВД и частотой вращения магнитного поля статора.

      2. В обоих типах двигателей могут использоваться синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов или индукторные машины с ОВ (называются при этом не синхронные двигатели, а вентильные двигатели на базе синхронной машины).

      Отличие.

      1. У синхронного двигателя частота коммутации ключей задается исходя из желаемой частоты вращения.

      2. У синхронного двигателя частота вращения ротора n определяется частотой питающего напряжения f1 (n=60f1/p), а у вентильного двигателя, напротив, частота вращения поля статора определяется частотой вращения ротора (f1=pn/60), которая, в свою очередь, зависит:

      - от напряжения питания и других величин, определяющих положение механической характеристики;

      - от момента сопротивления.

      Сходство  и отличие между ВИД и коллекторными двигателями постоянного тока (КДПТ).

      Сходство.

      Оба двигателя имеют близкие по виду характеристики.

      Отличия.

      1. Функции отсутствующего механического коллектора в ВД выполняет полупроводниковый коммутатор (инвертор), а функцию щеток – датчик положения ротора.

      2. Рабочая обмотка у КДПТ находится на роторе, а у ВД на статоре.

      3. Число фаз у ВД мало - обычно равно трем, реже четырем, шести или большему числу. Число секций у КДПТ намного больше.

      Если  бы ВД имел столько же фаз, чувствительных элементов ДПР и стоек транзисторов, сколько КДПТ имеет коллекторных пластин, то по своим свойствам и характеристикам они ничем бы не отличались друг от друга. Однако увеличение числа элементов сильно усложняет конструкцию машины. Поэтому электромагнитный момент ВД имеет пульсации.

4. Области применение  ВИД. 

       Наиболее  целесообразно использовать ВИД  в качестве электропривода механизмов, в которых по условиям работы требуется  осуществление регулирования в  широком диапазоне частоты вращения. Примером здесь могут быть электроприводы станков с числовым программным управлением и промышленных роботов. Эффективность использования ВИД существенно повышается, если необходимость регулирования частоты вращения сочетается с тяжелыми условиями работы, как это имеет место быть в электроприводах для металлургии, горнодобывающей промышленности и подвижного состава электрического транспорта. В промышленности есть большой класс устройств и механизмов, использующих нерегулируемый электропривод, где энергетическая эффективность существенно возрастает при использовании регулируемого электропривода. К таким устройствам, прежде всего, относятся компрессоры, насосы и вентиляторы. Использование здесь ВИД является весьма перспективным. Не менее перспективно применение ВИД в бытовой технике: стиральных машинах, пылесосах, кухонных комбайнах и электроинструментах. ВИД представляет собой относительно новый тип электромеханического преобразователя энергии. Поэтому его продвижение на рынке происходит достаточно медленно. Однако уже сейчас многие электротехнические фирмы мира либо рассматривают возможность серийного выпуска ВИД либо уже производят его.