Электропривод с вентильной машиной

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный университет информатики и приборостроения

Кафедра «Системы автоматического управления»

Курсовая работа по дисциплине

«Системы автоматического управления»

Выполнил: студент гр. 120311

Елисеев А.А.

Проверил: преподаватель

Бакунин А.С.

Москва 2009.

Введение

Электроприводом называется электромеханическое устройство, посредством которого приводятся в движение рабочие органы машин и обеспечивается управление энергией, преобразованной из электрической в механическую. Значение автоматизированных электроприводов различного типа в современной технике трудно переоценить и с каждым годом оно всё более возрастает.

Современные электроприводы выполняют на базе асинхронных и синхронных машин, коллекторных двигателей постоянного и переменного тока, бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ). Каждый из представленных электроприводов имеет свои достоинства и недостатки.

Асинхронные приводы просты по конструкции, имеют низкую стоимость и высокую надёжность, просты в управлении (изменением частоты питающего напряжения), но скорость вращения ротора у них зависит от момента нагрузки и, естественно, частоты питающего напряжения.

Синхронные приводы используются в системах с высокими требованиями к постоянству частоты вращения ротора. Их основным недостатком является необходимость применения специальных пусковых обмоток, а также трудности с регулированием частоты вращения ротора.

Электроприводы на базе коллекторных двигателей имеют высокий КПД, возможность плавного регулирования скорости в весьма широком диапазоне, высокий пусковой момент при малом пусковом токе. Их основным недостатком является наличие щёточно-коллекторного узла, который вызывает радиопомехи в большом диапазоне частот, пожаро и взрывоопасен.

Электропривод на базе бесконтактных двигателей постоянного тока не имеют щёточно-коллекторного узла. Он заменён полупроводниковой схемой, управляемой сигналами бесконтактного датчика положения ротора.

В последние годы БДПТ находят самое широкое применение в технике. Интерес к этому классу электрических машин обусловлен их высокой надежностью, способностью работать бесшумно при высоких частотах вращения, во взрывоопасных средах, на больших высотах и т.п. Эти двигатели имеют также хорошие статические и динамические характеристики, приближающиеся к характеристикам коллекторных двигателей постоянного тока.

БДПТ малой и средней мощности выполняются чаще всего на базе синхронной машины с постоянными магнитами на роторе. Обмотки якоря располагаются неподвижно на статоре и подключаются к источнику постоянного тока по средствам полупроводникового инвертора – коммутатора. Силовые ключи коммутатора, коммутирующие обмотку, управляются по сигналу, поступающего с датчика положения ротора (ДПР). ДПР выполняется в одном корпусе с двигателем.

Введение позиционной обратной связи превращает синхронную машину с инверторами в бесконтактный аналог машины постоянного тока, имеющий падающие механические характеристики. В настоящее время находят применения две разновидности БДПТ, отличающие типом обратной связи по положению. В первой разновидности обратная связь осуществляется с помощью параметрических датчиков положения, находящихся в чувствительных элементах (ЧЭ), которые меняют некоторые свои параметры под воздействием какого-либо физического фактора: магнитного поля, излучения и т. д. Такие датчики фиксируют лишь положения ротора, равные числу силовых ключей коммутатора и чаще всего называются дискретными.

Двигатели, выполняемые по другой схеме, в отличие от обычных дискретных БДПТ, имеют аналоговые датчики положения ротора (вращающиеся трансформаторы, сельсины и т. д.). С помощью аналоговых датчиков положения ротора силовые ключи коммутатора коммутируются по закону близкому к синусоидальному. В идеальном случае это позволяет исключить пульсацию момента и расширить диапазон регулирования двигателя. Эти двигатели можно рекомендовать для применения в системах с особо строгими требованиями к постоянству частоты вращения ротора, например: в системах стабилизации и т.п.

БДПТ по сравнению с коллекторным двигателем имеют обращенную конструкцию, то есть обмотка якоря расположена на статоре, а индуктор - на роторе.

Индуктор представляет собой постоянный магнит. Двигатели большой мощности в отличие от двигателей малой и средней мощности называются «вентильными» и выполняются с электромагнитным возбуждением.

Для получения наиболее высоких характеристик двигателей в них используют постоянный магниты из редкоземельных материалов.

Эти магниты исключительно стойкие к размагничиванию и способны запасать магнитную энергию больше той, которая могла быть создана обмоткой, выполненная в том же объеме, что и постоянный магнит.

В БДПТ с редкоземельным индуктором практически можно не учитывать реакцию якоря и можно получить значительную индукцию при больших магнитных зазорах, что позволяет в ряде случаев использовать бес пазовую конструкцию якорной обмотки, выполненную в виде втулки, и применить провод большего сечения, не увеличивая объем машины. Но для полного использования магнитных свойств редкоземельного материала конструкция ротора должна выполняться в виде коллекторной конструкции, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Коллекторная конструкция ротора БДПТ.

Ротор набирается из призматических постоянных магнитов 1, намагниченных по короткой оси. Магниты устанавливаются на немагнитную втулку 2, таким образом, чтобы оси намагничивания магниты были направлены тангенциально. Между магнитами устанавливаются концентраторы немагнитного потока 3.Для обеспечения механической прочности на магниты сверху накладываются вставки из немагнитного материала 4, которые привариваются в местах стыка 5. Магнитный поток, созданный постоянными магнитами, концентрируются в полюсах 3, что обеспечивает высокое значение магнитной индукции в рабочем зазоре, причем концентрация магнитного потока может быть большой и определяться отношением , где: - ширина магнита, - полюсное деление, - коэффициент полюсного перекрытия.

Наибольший эффект дает коллекторная конструкция при большом числе полюсов, при котором удается обеспечить большую величину отношения .

К недостаткам вентильных машин следует отнести сложность изготовления как самого двигателя, а это, как правило, сложный ротор из постоянных магнитов с большим трудом подвергающихся обработке, так и вопросы намагничивания ротора; низкую механическую прочность ротора, ограничивающую верхний предел частоты вращения. Кроме этого, им присуще относительно низкая индукция в воздушном зазоре при использовании дешевых магнитотвердых материалов и большая стоимость высокоэнергетических постоянных магнитов типа "Самарий - Кобальт". Еще одна, неприятная особенность вентильных приводов - это наличие встроенного датчика положения ротора и обеспечение его надежной работы.

Несмотря на все перечисленные выше недостатки, ветвь синхронных электрических машин наиболее перспективна и ближайшее время сулит существенный технологический скачок. Уже сегодня имеются разработки синхронных машин, обладающие улучшенными на порядок массогабаритными показателями. Эти машины имеют совершенно новую нетрадиционную конструкцию и очень широкие возможности.

Следовательно, вентильная машина, обладая многими достоинствами коллекторного двигателя, избавлена от его главного недостатка – щёточно-коллекторного узла и связанных с ним проблем. Из всех типов синхронных машин, в управляемых системах наиболее перспективными считаются именно вентильные машины.

Математическое описание вентильной машины

Электропривод на основе вентильной машины представляет собой синхронный двигатель в замкнутой системе (рис. 2) реализованный с использованием датчика положения ротора (ДПР), преобразователя координат (ПК) и силового полупроводникового преобразователя (СПП).

Рис. 2. Функциональная схема БДПТ и ВМ.

В случае БДПТ на обмотках машины формируется импульсное напряжение (ток), а в случае вентильной машины на выходе СПП формируется синусоидальное или квазисинусоидальное напряжение (ток).

Принцип управления вентильной машиной поясняет рис. 3. Датчик положения ротора (ДПР), преобразователь координат (ПК) и силовой полупроводниковый преобразователь (СПП) совместно формируют на обмотках статора машины напряжения , , таким образом, чтобы результирующий вектор напряжений всегда был сдвинут на угол и неподвижен относительно оси магнитного поля ротора.

Рис. 3. Физическая модель вентильной машины.

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора , что и создаёт момент на валу машины.

Ось магнитного поля в синхронной машине принято обозначать , а перпендикулярную ось – буквой (рис. 3). При анализе машины ось считается вещественной осью, а ось – мнимой.

Уравнения равновесия ЭДС на обмотках статора в неподвижной системе координат базируются на втором законе Кирхгофа (ротор не имеет обмоток).

(1)

где

,

,

Преобразовав уравнения в мгновенных значениях к уравнениям в пространственных векторах, получим:

(2)

где – индуктивность статора, – потокосцепление статора в неподвижной системе координат.

Электромагнитный момент, развиваемый машиной, равен:

(3)

Уравнение равновесия моментов на валу машины:

(4)

где , – число пар полюсов.

Модель вентильной машины в неподвижной системе координат

Уравнения машины в неподвижной системе координат находятся на основании уравнений (1 – 4) с учётом того, что :

(5)

Разложим уравнения (5) по неподвижным осям.

(6)

В уравнениях (6) значения проекций потока и напряжения на неподвижные оси координат связаны между собой за счёт датчика положения ротора (ДПР, рис. 1). В реверсивных электроприводах ДПР устанавливается таким образом, чтобы пространственный вектор напряжения был сдвинут на 90 электрических градусов относительно пространственного вектора потока. В этом случае проекции пространственных векторов на оси запишутся в виде:

(7)

При анализе обычно вводятся относительные переменные. В качестве базовых величин принимаются:

, , ,

где - напряжение на фазе двигателя; - сопротивление фазы двигателя; - число пар полюсов двигателя; - магнитный поток ротора; - скорость вращения холостого хода.

В относительных величинах уравнения (6) с учётом (7) запишутся в виде:

(8)

где относительные переменные и параметры определены выражениями:

, , , , , ,

Модель вентильной машины, составленная по уравнению (8) в пакете MATLAB 6.5, представлена на рис. 4. Базовые значения переменных и относительные параметры машины приведены в таблице 2 приложения.

Рис. 4. Модель вентильной машины в неподвижной системе координат (модель двигателя ДБМ150-4-1,5-2).

Моделирование осуществляем для двигателей ДБМ150-4-1,5-2 и ДБМ185-6-0,2-2. Данные двигателей приведены в таблице 1 приложения. Результаты моделирования представлены на рис. 5 и рис. 6.

Блоком Step задавался скачок относительно входного сигнала равным единице. Исходя из полученных результатов моделирования, можно сделать вывод, что с точки зрения динамического звена ВМ близка по своим характеристикам к машине постоянного тока.

Рис. 5. Переходные процессы в ВМ по моменту и скорости в двигателе ДБМ150-4-1,5-2.

Рис. 6. Переходные процессы в ВМ по моменту и скорости в двигателе ДБМ185-6-0,2-2.

Модель вентильной машины во вращающейся системе координат

При анализе вентильной машины обычно используется вращающаяся со скоростью ротора система координат.

Связь между вращающейся и неподвижной системами координат рассмотрена ниже.

, ,

(9)

, ,

При переходе к вращающимся координатам уравнение электрического равновесия (первое уравнение системы 5) преобразуется к виду:

(10)

Разложив результирующие вектора электромагнитных переменных состояния по осям и , получим скалярное описание машины. При этом ось совмещается с осью потока ротора (см. рис. 2).

(11)

где принято

, , .

При анализе снова вводятся относительные переменные. В качестве базовых величин принимаются:

, , ,

В относительных величинах уравнения (10) запишутся в виде:

(12)

где относительные переменные и параметры определены выражениями:

, , , , , ,

Значения базовых величин, относительных переменных и параметров приведены в таблице 3 приложения.

Модель вентильной машины (двигатель ДБМ150-4-1,5-2) во вращающейся системе координат, построенная по уравнениям (12) и собранная в пакете MATLAB 6.5 имеет вид (см. рис. 7).

Рис. 7. Модель вентильной машины во вращающейся системе координат.

Результаты моделирования для двигателей ДБМ150-4-1,5-2 и ДБМ185-6-0,2-2 представлены на рис. 8 и рис. 9. На вход модели подано единичное ступенчатое воздействие.

Рис. 8. Переходные процессы по моменту, скорости и продольной составляющей тока в двигателе ДБМ150-4-1,5-2.

Рис. 9. Переходные процессы по моменту, скорости и продольной составляющей тока в двигателе ДБМ185-6-0,2-2.

Переходные процессы в машине по скорости и моменту во многом совпадают с результатами моделирования в неподвижной системе координат. На рис. 7 и рис. 8 показан процесс по току . Наличием этого тока объясняется специфика процессов в ВМ в переходных и установившихся режимах работы.

Ток является током по продольной оси, он не создаёт момента, но в достаточной степени влияет на поток и соответственно на скорость и на общий ток потребления машины. Причиной появления этого тока является относительная электромагнитная постоянная времени в цепи статора машины и взаимные перекрёстные связи между каналами.

Модель вентильной машины во вращающейся системе координат с учётом запаздывания в канале вращающийся трансформатор – демодулятор – фильтр

При рассмотрении характеристик вентильной машины необходимо учитывать не только параметры самого двигателя, но и параметры канала с датчиком положения ротора.

Если рассматривать двигатели типа ДБМ, то в них используются датчики положения ротора типа вращающийся трансформатор. Эти датчики по существу являются многополюсными ВТ число полюсов которых согласовано с числом полюсов ДБМ. В системах электропривода датчики ВТ используются обычно в режимах с амплитудной либо фазовой модуляцией.

В данном случае также применяются генератор несущей частоты, демодуляторы, фильтры и умножители. Напряжение с генератора несущей частоты подаётся на обмотку возбуждения ВТ. Напряжения на вторичных обмотках ВТ являются синусоидальной и косинусоидальной функцией угла поворота двигателя. Демодуляторы совместно с фильтрами отфильтровывают несущую частоту, а умножители выполняют роль преобразователей координат, преобразуя вращающуюся систему координат в неподвижную в соответствии с выражениями (9).

Полученные выше уравнения (12) не учитывают влияния запаздывания в канале ВТ-ДМ-Ф. Для учёта этого влияния определим напряжения , в системе координат , , тогда в относительных величинах получим: