CC BY
37
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.313.062-83
Е.В. Кузьмицкий, асп., 89037183785, [email protected] (Россия, Москва, МГТУ «МАМИ»),
В.В. Лохнин, д-р техн. наук, проф., 89037183785, [email protected] (Россия, Москва, МГТУ «МАМИ»),
И.А. Бербиренков, канд. техн. наук, 89037183785, [email protected] (Россия, Москва, МГТУ «МАМИ»)
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ В ТЯГОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
Предлагается перенести широтно-импульсную модуляцию в силовые транзисторы бортового вентильного преобразователя для эффективного регулирования частоты вращения двигателя.
Ключевые слова: вентильный электропривод, низкая частота вращения, бортовой вентильный преобразователь, вентильный двигатель.
К настоящему времени известны три фактора, вызывающие неустойчивые режимы работы вентильного электропривода на низких частотах вращения, одним из которых является шаговый режим работы: наличие зубчатого слоя на статоре, колебания ротора, например, при сбросе или наборе нагрузки и специфика работы вентильного преобразователя.
Исследования магнитного поля в активной зоне двигателя с зубчатым статором проводились методом гармонического анализа (1). При этом обнаружено, что параметры двигателя будут иметь пульсации, вызванные поперечным качанием магнитного поля при вращении ротора. Наибольшие пульсации получим в том случае, если ширина полюсов будет содержать целое число зубчатых делений статора. Для ослабления этих пульсаций
3
целесообразно скашивать пазы статора на одно зубчатое деление по оси полюса или же скашивать край полюса при прямых зубцах статора.
Если зубчатое деление не укладывается целое число раз в полюсной дуге, то при вращении ротора магнитное сопротивление воздушного зазора периодически меняется и это вызывает колебания магнитного потока. При чётном числе пазов изменение магнитной проводимости под одним полюсом частично компенсируется соответствующим изменением магнитной проводимости под другим полюсом и абсолютная величина пульсации уменьшается. Скос пазов на статоре или полюсных наконечников на роторе на одно зубчатое деление уничтожает периодические изменения магнитного сопротивления воздушного зазора. При малой величине рабочего зазора пульсации увеличиваются и, соответственно, при его увеличении -уменьшаются. Полностью указанные пульсации отсутствуют при выполнении гладкого статора.
При качениях или колебаниях двигателя его ротор вращается неравномерно, и частота его вращения колеблется с некоторой частотой около среднего значения.
Колебания угла нагрузки, в свою очередь, неразрывно связаны с колебанием величин мощности и тока статора.
Такие колебания возникают при любых внезапных или резких нарушениях, или изменениях режима работы (наброс или сброс нагрузки, резкое изменение напряжения питания и т.д.).
Уравнения моментов при колебании имеют вид
Ми + Му + Мс = 0, (1)
где Ми - инерционный момент; Му - успокоительный момент; Мс - синхронизирующий момент.
Если амплитуда колебаний угла наклона мала, то дифференциальное уравнение движения ротора является линейным и имеет простое решение, позволяющее выяснить существенные особенности колебательного процесса двигателя.
Выражение (1) при малых колебаниях после математических преобразований принимает вид
у d2дв адв „ п
7 ' — + + 0. (2)
где Ав - приращение угла нагрузки; р - число пар полюсов ротора; У - момент инерции; Мут и Мст - коэффициенты при успокоительном и синхронизирующем моментах.
Решением выражения (2) будет
Дв = С! е Л1 + + С 2 е Л2 + ,
где С1 и С2 - постоянные интегрирования; и Х2 - корни характеристического уравнения
Машиностроение и машиноведение
— Я + м -Л + м ст р
II
Л12
Итак,
1 - а 1
1к 1 к
_ 27
где Тк --—- есть постоянная времени затухания колебания, а
Р'М ут
„ -Inf - \Р'Мст Р2-М1т - -
~ Z7U о —----?— - угловая частота свободных или собствен-
V Y 47"
ных колебаний двигателя. В работе [1] показано, что в вентильном двигателе наличие обратных связей по датчику частоты вращения обеспечивает, именно, малые колебания двигателя, которые эффективно могут гасить, увеличенным инерционным и демпфирующим моментами (1).
Бортовой вентильный преобразователь (БВП) в тяговом приводе выполняется на транзисторах и поэтому длительность коммутационного процесса мала. В этот случае работа привода сопровождается циклическим перебором секций обмотки статора, подключенных на произвольном интервале к источнику питания. Причём, число и характер соединений элементов статорной обмотки от интервала к интервалу не изменяется, изменяется только номера секций, участвующих на последующих интервалах в процессе преобразования энергии.
Если анализировать работу вентильного двигателя с позиции вращающегося магнитного поля, то при несинусоидальном токе двигателя это поле будет создаваться первыми гармоническими ряда Фурье токов фаз статора.
Замечено, что при уменьшении скважности импульсов тока, питающих обмотку статора, первая гармоническая тока будет перемещаться на угол а = var, относительно положения первой гармонической тока при скважности равной единице (рис. 1).
Таким образом, при уменьшении скважности импульсов возрастает величина угла а и резко падает мощность двигателя с последующей потерей устойчивого вращения.
Если же рассматривать работу вентильного двигателя от источника импульсов тока переменной скважности, то при уменьшении скважности импульсов наступает режим прерывистых токов и работа вентильного двигателя может быть рассмотрена с позиции работы шагового двигателя.
Рис. 1. Широтно-импульсное регулирование частоты вращения
вентильного двигателя (а - угол смещения первой гармонической тока)
На рис. 2 показана диаграмма работы вентильного двигателя с непрерывным и прерывистым токами фаз.
Известно, что вентильный двигатель является по управлению аналогом двигателя постоянного тока и при питании его от источника постоянного тока с амплитудным регулированием напряжения имеет практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения с устойчивой работой во всём диапазоне регулирования. Структура такого вентильного двигателя приведена на рис. 3.
Недостатком такого вентильного двигателя является наличие транзисторного регулятора Р, рассчитываемого не полную мощность двигателя.
Если же перенести высокочастотную ШИМ непосредственно в силовые транзисторы БВП, то несмотря на несколько усложнённую схему управления БВП, мы избавляемся от звена Р в структурной схеме рис. 3.
и, 1 А
и
а)
и, 1 Л
и
t
Рис. 2. Диаграммы токов и напряжений вентильного двигателя: а - работа с непрерывным током; б - работа с прерывистым
током
Рис. 3. Структура вентильного двигателя с регулятором амплитуды питающего напряжения: ИП - источник питания постоянного напряжения; Р - транзисторный регулятор ШИМ; БВП - бортовой вентильный преобразователь; СД - синхронный двигатель; ДПР - датчик положения ротора; ТГ - тахогенератор; СУ - система управления БВП
Выводы
1. Неустойчивые режимы работы вентильного привода смогут быть вызваны неправильным соотношением зубцов статора и полюсов ротора двигателя, качаниями его ротора и работой бортового вентильного преобразователя.
2. В вентильном двигателе наличие обратных связей по датчику положения ротора и таходатчику ограничивают колебания ротора малыми амплитудами и такие колебания эффективно гасятся варьированием инерционного и демпфирующего моментов.
3. Традиционная структура вентильного двигателя с регулированием его частоты вращения ШИМ на чистоте питания не обеспечивает необходимый диапазон регулирования частоты вращения, характерный для тяговых двигателей.
4. Амплитудное регулирование напряжения источника питания постоянного тока с введением высокочастотной ШИМ (частота такого регулирования - десятки кГц) переносом в силовые ключи БВП обеспечивает эффективное регулирование частоты вращения привода практически в неограниченном диапазоне.
Список литературы
1. Бербиренков И.А. Обеспечение устойчивой работы тяговых вентильных электроприводов на низких частотах вращения: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ «МАМИ», 2011. 20 с.
2. Тяговые электроприводы и устройства энергообеспечения автотранспортных средств / Е.М. Овсянников [и др.]. М.: Изд-во «Палеотип», 2009. 244 с.
E. V. Kuzmitsky, V. V. Lohnin , I.A. Berbirenkov
THE WORK FEATURES OF THE VALVE ENGINE IN TRACTION ELECTRIC DRIVE
For effective regulation the frequency of the engine's rotation the transfer of the pulse-width modulator into the power transistors of the onboard valve converter is offered.
Key words: ventilny electric drive, low frequency of rotation, onboard ventilny converter, ventilny engine.
Получено 07.02.12
