РАЗДЕЛ 2
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНОГО ИСПОЛНЕНИЯ
2.1. Особенности работы различных типов ВД
Рассмотрим основной принцип работы системы на примере простейшей схемы вентильного двигателя постоянного тока с естественной коммутацией (рис.2.1.). Здесь трехфазная синхронная машина (СМ) получает питание от зависимого инвертора, выполненного на тиристорах (Т1-Т6), управляемых датчиком положения ротора (ДПР).
Осциллограмма (рис. 2.2), снятая в установившемся режиме работы экспериментального ВД с базисной мощностью =3 кВт, иллюстрирует этапы работы коммутатора.
Пусть, начиная с момента времени ? = 0 (рис.2.2), тиристоры Т1 и Т6 (рис. 2.1) пропускают ток от фазы "а" к фазе "b". Результирующее поле обмотки якоря (), взаимодействуя с полем индуктора (), создает вращающий момент, заставляющий перемещаться ротор в направлении, показанном на рис. 2.3. Если после его поворота на 60 эл. град. ток переключить с фазы "b" на "c", ротор будет продолжать первоначальное движение. Таким образом, при (рис. 2.2) на тиристор Т2 следует подать, а с Т6 - снять управляющие сигналы, которые приведут к отпиранию очередного тиристора Т2.
Рис.2.1. Принципиальная схема ВД постоянного тока
Вместе с тем, ток спадает до нуля постепенно. В течение времени <<, соответствующего углу коммутации , благодаря малому сопротивлению вентилей Т2 и Т6 преобразователя в проводящем направлении, фазы "b" и "c" образуют короткозамкнутый контур.
При происходит уменьшение за счет ЭДС вращения, которая для успешного завершения коммутации должна быть направлена встречно и согласно . Это требование обеспечивается выбором угла опережения отпирания тиристоров (или ), регулируемого датчиком положения ротора
и отсчитываемого от момента подачи управляющего сигнала на очередной тиристор (Т2) до точки пересечения кривых ЭДС , (или напряжений , ). При переходе через нулевое значение () сопротивление вентиля Т6 увеличивается на несколько порядков, однако напряжение , прикладываемое к его силовым зажимам в течение некоторого промежутка времени (?) должно оставаться отрицательным, что необходимо для полного восстановления запирающихся свойств элемента. Поэтому величина должна превышать минимально допустимый угол запирания , указанный в каталоге на тиристоры выбранного типа.
Рис.2.2. Осциллограмма токов и напряжений фазных обмоток ВД
Рис. 2.3. Последовательность включения фаз вентильного двигателя
В перевозбужденных СМ, особенно при нестационарных режимах, иногда наблюдаются ситуации, отмеченные на рис. 2.2 пунктиром. Здесь длительность протекания тока по фазе оказывается меньше, чем (на рис. 2.2 =6). Кривая тока источника питания имеет интервалы, в которых =0, а ток тиристора отключаемой фазы становится равным нулю до наступления очередной коммутации. С другой стороны, увеличение может привести к ситуации, когда одновременно оказываются открытыми два вентиля одной фазы противоположных групп. Не рассматривая на данном этапе подобное явление опрокидывания инвертора, равносильное короткому замыканию цепи питания, ограничимся нахождением критериальных условий его возникновения.
Непрерывное вращение ротора может быть обеспечено последовательным подключением фаз синхронной машины к источнику постоянного напряжения согласно схеме (рис. 2.3 ): ab, ac, bc, ba, ca, cb, ab и т.д., причем работу преобразователя можно характеризовать периодом повторяемости , в пределах которого выделим режимы: межкоммутационный (МК), коммутационный (К) и прерывистого тока (РПТ).
Особенности работы системы ВД при многофазном (m > 3) исполнении обмотки якоря СМ рассмотрим на примере 6-тифазного вентильного двигателя (ВД6), обмотка якоря которого выполнена в виде двух групп, оси намагничивающих сил соответствующих фаз которых, сдвинуты в пространстве на 30 эл.град. (рис. 2.4).
Рис.2.4. Принципиальная схема шестифазного ВД постоянного тока
Каждая система фаз получает питание от отдельного инвертора, тиристоры которых управляются с помощью датчика положения ротора. В указанном на рис. 2.4 интервале положительный вращающий момент создается при протекании токов от фазы "a1" к "b1" и от фазы "a2" к "b2", т.е. должны быть открыты тиристоры Т11, Т61, Т12 и Т62. Если начало совместной работы тиристоров Т12 и Т62 приравнять условию =0, то после поворота ротора на 30 эл.град., для получения оптимального вращающего момента от группы "1", необходимо переключить ток с фазы b1 на с1. В этот момент времени () на элемент Т21 следует подать, а с Т61 - снять управляющие сигналы.
В период () (см. рис. 2.2), соответствующий углу коммутации , тиристоры Т21 и Т61 находятся в проводящем состоянии, а фазы b1 и с1 образуют короткозамкнутый контур. При , когда ротор повернется от начального положения (=0) на 60 эл.град. или на 30 эл.град. от положения, занимаемого при , должен начаться коммутационный период в группе "2" (подается управляющий сигнал на Т22 и снимается с Т62). Непрерывное вращение двигателя будет обеспечено за счет следующего порядка подключения фаз синхронной машины к источнику постоянного тока: a1b1a2b2; a1c1a2b2; a1c1a2c2; b1c1a2c2; b1c1b2c2; b1a1b2c2; b1a1b2c2; c1a1b2c2 и т.д. При этом работу системы в целом можно характеризовать периодом повторяемости , где определяется схемой преобразователя, а m - числом фаз обмотки машины (в рассматриваемом примере =6; =6). Для каждого преобразователя, как и в случае ВД3, период повторяемости , в пределах которого можно выделить режимы: межкоммутационный (МК), коммутационный (К) и прерывистого тока (РПТ).
При питании ВД от источника переменного напряжения (рис.2.5,а,б) преобразовательный блок выполняет выпрямительные и инверторные функции. В системе ВД с ЯЗПТ (рис.2.5,а) как силовые элементы, так и системы управления инвертора и выпрямителя обособлены. При этом их взаимосвязь осуществляется через систему регулирования электропривода.
Несколько подробнее остановимся на особенностях работы системы ВД с НПЧ (рис. 2.