Вентильные двигатели с постоянными магнитами

Машины постоянного тока, как правило, имеют более высокие технико-экономические показатели (линейность характеристик, высокий КПД, малые габариты и пр.), чем машины переменного тока. Существенный недостаток — наличие щеточного аппарата, который снижает надежность, увеличивает момент инерции, создает радиопомехи, взрывоопасность и т.д. Поэтому, естественно, актуальна задача создания бесконтактного (бесколлекторного) двигателя постоянного тока.

Решение этой задачи оказалось возможным с появлением полупроводниковых приборов. В бесконтактном двигателе постоянного тока, именуемом вентильным двигателем постоянного тока , щеточный аппарат заменен полупроводниковым коммутатором, якорь неподвижен, ротор представляет собой постоянный магнит.

Принцип работы вентильного двигателя

Под вентильным двигателем понимают систему регулируемого электропривода, состоящую из электродвигателя переменного тока, конструктивно подобного синхронной машине, вентильного преобразователя и устройств управления, обеспечивающих коммутацию цепей обмоток электродвигателя в зависимости от положения ротора двигателя. В этом смысле вентильный двигатель подобен двигателю постоянного тока, в котором посредством коллекторного коммутатора подключается тот виток обмотки якоря, который находится под полюсами возбуждения.

Вентильный двигатель постоянного тока представляет собой сложное электромеханическое устройство, в котором сочетаются простейшая электрическая машина и электронная система управления.

Двигателям постоянного тока присущи серьезные недостатки, обусловленные, главным образом, наличием щеточно-коллекторного аппарата:

1. Недостаточная надежность коллекторного аппарата, необходимость его периодического обслуживания.

2. Ограниченные величины напряжения на якоре и, следовательно, мощности двигателей постоянного тока, что ограничивает их применение для высокоскоростных приводов большой мощности.

3. Ограниченная перегрузочная способность двигателей постоянного тока, ограничение темпа изменения тока якоря, что существенно для высокодинамичных электроприводов.

В вентильном двигателе указанные недостатки не проявляются, поскольку здесь щеточно-коллекторный коммутатор заменен бесконтактным коммутатором, выполненным на тиристорах (для приводов большой мощности) или на транзисторах (для приводов мощностью до 200кВт). Исходя из этого, вентильный двигатель, который конструктивно выполняется на базе синхронной машины, часто называют бесконтактным двигателем постоянного тока.

По управляемости вентильный двигатель также подобен двигателю постоянного тока — его скорость регулируется изменением величины подводимого постоянного напряжения. Благодаря своим хорошим регулировочным качествам вентильные двигатели получили широкое применение для привода различных роботов, металлорежущих станков, промышленных машин и механизмов.

Электропривод по системе транзисторный коммутатор-вентильный двигатель с постоянными магнитами

Вентильный двигатель рассматриваемого типа выполнен на базе трехфазной синхронной машины с постоянными магнитами на роторе. Трехфазные обмотки статора питаются постоянным током, подаваемым поочередно в две последовательно соединенные фазные обмотки. Переключение обмоток производится транзисторным коммутатором, выполненным по трехфазной мостовой схеме. Транзисторные ключи открываются и закрываются в зависимости от положения ротора двигателя. Схема вентильного двигателя представлена на рис.1.

Рис.1. Схема вентильного двигателя с транзисторным коммутатором

Момент, создаваемый двигателем, определяется взаимодействием двух потоков:

• статора, создаваемого током в обмотках статора,

• ротора, создаваемого высокоэнергетическими постоянными магнитами (на основе сплавов самарий-кобальт и других).

где: θ — пространственный угол между векторами потоков статора и ротора; рп — число пар полюсов.

Магнитный поток статора стремится повернуть ротор с постоянными магнитами, так, чтобы поток ротора совпал по направлению с потоком статора (вспомним магнитную стрелку, компаса).

Наибольший момент, создаваемый на валу ротора, будет при угле между векторами потоков равным π/2 и будет уменьшаться до нуля по мере сближения векторов потоков. Эта зависимость показана на рис.2.

Рассмотрим пространственную диаграмму векторов потоков, соответствующую двигательному режиму (при числе пар полюсов pn=1). Предположим, что в данный момент включены транзисторы VT3 и VT2, (см. схему рис.1). Тогда ток проходит через обмотку фазы В и в обратном направлении через обмотку фазы А. Результирующий вектор м.д.с. статора будет занимать в пространстве положение F3 (см.рис.3).

Если ротор занимает в этот момент положение, показанное на рис.4., то двигатель будет развивать в соответствии с 1 максимальный момент, под действием которого ротор будет поворачиваться по часовой стрелке. По мере уменьшения угла θ момент будет уменьшаться. Когда ротор повернется на 30° необходимо в соответствии с графиком на рис.2. переключить ток в фазах двигателя, так, чтобы результирующий вектор м.д.с. статора занял положение F4 (см. рис.3). Для этого нужно отключить транзистор VT3 и включить транзистор VT5.

Переключение фаз выполняет транзисторный коммутатор VT1-VT6, управляемый от датчика положения ротора DR; при этом угол θ поддерживается в пределах 90°±30°, что соответствует максимальному значению момента с наименьшими пульсациями. При рn=1 за один оборот ротора должно быть произведено шесть переключений, благодаря которым м.д.с. статора совершит полный оборот (см. рис.3). При числе пар полюсов больше единицы поворот вектора м.д.с. статора, а, следовательно, и ротора, составит 360/рn градусов.

Рис.2. Зависимость момента двигателя от угла между векторами потоков статора и ротора (при рn=1)

Рис.3. Пространственная диаграмма м.д.с. статора при переключении фаз вентильного двигателя

Рис.4. Пространственная диаграмма потоков в двигательном режиме

Регулирование величины момента производится изменением величины м.д.с. статора, т.е. изменением средней величины тока в обмотках статора

где: R1 — сопротивление обмотки статора.

Поскольку поток двигателя постоянен, то э.д.с. Ея, наводимая в двух последовательно включенных обмотках статора будет пропорциональна скорости ротора. Уравнение электрического равновесия для цепей статора будет

При отключении ключей ток в обмотках статора мгновенно не исчезает, а замыкается через обратные диоды и фильтровый конденсатор С.

Следовательно, регулируя напряжение питания двигателя U1, можно регулировать величину тока статора и момента двигателя

Нетрудно заметить, что полученные выражения подобны аналогичным выражениям для двигателя постоянного тока, вследствие чего механические характеристики вентильного двигателя в данной схеме подобны характеристикам двигателя постоянного тока независимого возбуждения при Ф=const.

Изменение напряжения питания вентильного двигателя в рассматриваемой схеме производится методом широтно-импульсного регулирования. Изменяя скважность импульсов транзисторов VT1-VT6 в периоды их включенного состояния, можно регулировать среднюю величину напряжения, подаваемого на обмотки статора двигателя.

Для осуществления режима торможения алгоритм работы транзисторного коммутатора должен быть изменен таким образом, чтобы вектор м.д.с. статора отставал от вектора потока ротора. Тогда момент двигателя станет отрицательным. Поскольку на входе преобразователя установлен неуправляемый выпрямитель, то рекуперация энергии торможения в данной схеме невозможна.

При торможении происходит подзаряд конденсатора фильтра С. Ограничение напряжения на конденсаторах осуществляется путем подключения разрядного сопротивления через транзистор VT7. Таким образом, энергия торможения рассеивается в разрядном сопротивлении.

Определение вентильного двигателя

Обозначение в зарубежной литературе

Конструкция

Статор

Ротор

В зависимости от количества магнитов, расположенных в поперечном сечении ротора двигатель будет иметь то или иное количество полюсов.

В погружных вентильных электродвигателях используемых в нефтяной отрасли ротор содержит постоянные магниты. Как правило погружные ВД выпускаются 8-ми и 4-х полюсными.

При одной и той же частоте вращения электромагнитного поля статора, частота вращения вентильного электродвигателя с большим количеством пар полюсов будет меньше. Так, если скорость вращения 8-ми полюсного электродвигателя 1500 об/мин, то 4-х полюсный при той же частоте поля будет вращаться с частотой 3000 об/мин.

Принцип работы

Принцип работы вентильного электродвигателя

Здесь, одно из ключевых отличий вентильного (синхронного) и асинхронного двигателей.

Принцип работы асинхронного электродвигателя

Его ротор представляет собой обмотку с короткозамкнутыми витками , по виду напоминающую беличью клетку прутья которой — стержни с торцов соединенные кольцами.

Вращающееся электромагнитное поле статора наводит в роторе ЭДС, в стержнях ротора начинает течь ток, в результате чего возникает магнитное поле, которое и заставляет вращаться ротор вслед за магнитным полем, создаваемым статором. Именно то, что поле статора движется относительно ротора является условием возникновения электромагнитного поля в роторе. Если ротор заставить вращаться с той же скоростью, что и магнитное поле, создаваемое статором, то ЭДС в роторе наводится не будет! Таким образом скорость вращения ротора асинхронного двигателя всегда меньше скорости вращения поля.

Синхронный же двигатель не требует возбуждения ЭДС ротора от магнитного поля, создаваемого статором, магнитное поле здесь уже присутствует без его участия. Поэтому ротор синхронного электродвигателе вращается строго с частотой поля, создаваемого обмотками статора. Если установить частоту вращения синхронного двигателя равной 3000 об/мин, то это значит, что и магнитное поле двигателя, создаваемого обмотками статора равна 3000 об/мин. Частота вращения асинхронного двигателя в тех же условиях будет 2910 об/мин.

Система управления вентильным электродвигателем

Инвертором в данном случае называют электронную систему, осуществляющую подачу напряжения, частота которого не зависит от частоты питающего напряжения на обмотки электродвигателя.

Инвертором оснащаются не только синхронные (вентильные) электродвигатели, но асинхронные — там где требуется регулирование частоты вращения.

Существуют два основных подхода (принципа) в управлении вентильными электродвигателями:

• 1. Управления коммутацией (6-ти пульсное управление);
• 2. Векторное управление.

Управление коммутацией

И еще раз обратим ваше внимание! Не частота вращения ротора изменяется от частоты вращения поля, а поле подстраивается под частоту вращения ротора. Инвертор регулирует частоту вращения ротора изменяя ток и/или напряжение коммутируемое к обмоткам.

Определение положения ротора

Для определения положения ротора существуют различные методы:

• при помощи датчиков (например датчика Холла);
• бездатчиковый.

В погружных вентильных электродвигателях используется бездатчиковый метод определения положения ротора, т.к. применение датчиков в данном случае невозможно в силу специфики эксплуатации.

В бездатчиковом методе при вращении двигателя определение положение ротора осуществляется по значению ЭДС, наводимой в свободной фазе (к которой в данной момент не подводится питающее напряжение) обмотки статора. При движении ротора ЭДС в свободной фазе меняется и переход ее через 0 является «отметкой» положения ротора.

При таком методе управления в обмотках статора течет ток по форме близкий к трапецеидальному.

Данный способ управления характеризует простота и надежность, что позволяет управлять вентильным электродвигателем не только на коротких расстояниях, но и на длинных линиях — сотни метров и даже километры, что актуально для нефтяного погружного оборудования.

Векторное управление

Метод позволяет очень точно управлять электродвигателем. Метод наиболее ресурсоемкий в плане математических вычислений, однако развитие микропроцессорной техники позволяет компенсировать это. Применение его на коротких линиях очень эффективно, однако использование на длинных линиях ставит перед разработчиками множество преград, решение которых — нетривиальная задача.

Главное отличие между синхронным двигателем с постоянными магнитами (СДПМ) и асинхронным электродвигателем заключается в роторе. Проведенные исследования 1 показывают, что СДПМ имеет КПД примерно на 2% больше, чем высоко эффективный (IE3) асинхронный электродвигатель, при условии, что статор имеет одинаковую конструкцию, а для управления используется один и тот же частотный преобразователь. При этом синхронные электродвигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими электродвигателями обладают лучшими показателями: мощность/объем, момент/инерция и др.

Конструкции и типы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, также существуют конструкции с внешним ротором — электродвигатели обращенного типа.

Ротор состоит из постоянных магнитов. В качестве постоянных магнитов используются материалы с высокой коэрцитивной силой.

Электродвигатель с неявно выраженными полюсами имеет равную индуктивность по продольной и поперечной осям L_d = L_q, тогда как у электродвигателя с явно выраженными полюсами поперечная индуктивность не равна продольной L_q ≠ L_d.

Также по конструкции ротора СДПМ делятся на:
• синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
  (англ. SPMSM — surface permanent magnet synchronous motor);
• синхронный двигатель со встроенными (инкорпорированными) магнитами
  (англ. IPMSM — interior permanent magnet synchronous motor).

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Наиболее распространены конструкции с двух- и трехфазной обмоткой.

В зависимости от конструкции статора синхронный двигатель с постоянными магнитами бывает:
• с распределенной обмоткой;
• с сосредоточенной обмоткой.

Распределенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 2, 3. k.

Сосредоточенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 1. При этом пазы расположены равномерно по окружности статора. Две катушки, образующие обмотку, можно соединить как последовательно, так и параллельно. Основной недостаток таких обмоток — невозможность влияния на форму кривой ЭДС [2].

Форма обратной ЭДС электродвигателя может быть:
• трапецеидальная;
• синусоидальная.

Форма кривой ЭДС в проводнике определяется кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности статора.

Известно, что магнитная индукция в зазоре под явно выраженным полюсом ротора имеет трапециидальную форму. Такую же форму имеет и наводимая в проводнике ЭДС. Если необходимо создать синусоидальную ЭДС, то полюсным наконечникам придают такую форму, при которой кривая распределения индукции была бы близка к синусоидальной. Этому способствуют скосы полюсных наконечников ротора [2].

Принцип работы синхронного двигателя

Принцип действия синхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора. Концепция вращающегося магнитного поля статора синхронного электродвигателя такая же, как и у трехфазного асинхронного электродвигателя.

Принцип работы синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора.

Магнитное поле ротора, взаимодействуя с синхронным переменным током обмоток статора, согласно закону Ампера, создает крутящий момент, заставляя ротор вращаться (подробнее).

Постоянные магниты, расположенные на роторе СДПМ, создают постоянное магнитное поле. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора, полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора. В связи с этим СДПМ не может сам запуститься при подключении его напрямую к сети трехфазного тока (частота тока в сети 50Гц).

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами

Для работы синхронного двигателя с постоянными магнитами обязательно требуется система управления, например, частотный преобразователь или сервопривод. При этом существует большое количество способов управления реализуемых системами контроля. Выбор оптимального способа управления, главным образом, зависит от задачи, которая ставится перед электроприводом. Основные методы управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами приведены в таблице ниже.

Управление				Преимущества	Недостатки
Синусоидальное	Скалярное			Простая схема управления	Управление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости
	Векторное	Полеориентированное управление	С датчиком положения	Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования	Требуется датчик положения ротора и мощный микроконтроллер системы управления
			Без датчика положения	Не требуется датчик положения ротора. Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования, но меньше, чем с датчиком положения	Бездатчиковое полеориентированное управление во всем диапазоне скоростей возможно только для СДПМ с ротором с явно выраженными полюсами, требуется мощная система управления
		Прямое управление моментом		Простая схема управления, хорошие динамические характеристики, большой диапазон регулирования, не требуется датчик положения ротора	Высокие пульсации момента и тока
Трапециидальное	Без обратной связи			Простая схема управления	Управление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости
	С обратной связью	С датчиком положения (датчиками Холла)		Простая схема управления	Требуются датчики Холла. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%.
		Без датчика		Требуется более мощная система управления	Не подходит для работы на низких оборотах. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%.

Для решения несложных задач обычно используется трапециидальное управление по датчикам Холла (например — компьютерные вентиляторы). Для решения задач, которые требуют максимальных характеристик от электропривода, обычно выбирается полеориентированное управление.

Трапециидальное управление

Одним из простейших методов управления синхронным двигателем с постоянными магнитами является — трапецеидальное управление. Трапециидальное управление применяется для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС. При этом этот метод позволяет также управлять СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС, но тогда средний момент электропривода будет ниже на 5%, а пульсации момента составят 14% от максимального значения. Существует трапециидальное управление без обратной связи и с обратной связью по положению ротора.

Управление без обратной связи не оптимально и может привести к выходу СДПМ из синхронизма, т.е. к потери управляемости.

Управление с обратной связью можно разделить на:
• трапециидальное управление по датчику положения (обычно — по датчикам Холла);
• трапециидальное управление без датчика (бездатчиковое трапециидальное управление).

В качестве датчика положения ротора при трапециидальном управлении трехфазного СДПМ обычно используются три датчика Холла встроенные в электродвигатель, которые позволяют определить угол с точностью ±30 градусов. При таком управление вектор тока статора принимает только шесть положений на один электрический период, в результате чего на выходе имеются пульсации момента.

Полеориентированное управление

Полеориентированное управление позволяет плавно, точно и независимо управлять скоростью и моментом бесщеточного электродвигателя. Для работы алгоритма полеориентированного управления требуется знать положение ротора бесщеточного электродвигателя.

Существует два способа определения положения ротора:
• по датчику положения;
• без датчика — посредством вычисления угла системой управления в реальном времени на основе имеющейся информации.

Полеориентированное управление СДПМ по датчику положения

В качестве датчика угла используются следующие типы датчиков:
• индуктивные: синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), редуктосин, индуктосин и др.;
• оптические;
• магнитные: магниторезистивные датчики.

Полеориентированное управление СДПМ без датчика положения

Благодаря бурному развитию микропроцессоров с 1970-х годов начали разрабатываться бездатчиковые векторные методы управления бесщеточными электродвигателями переменного тока. Первые бездатчиковые методы определения угла были основаны на свойстве электродвигателя генерировать обратную ЭДС во время вращения. Обратная ЭДС двигателя содержит в себе информацию о положении ротора, поэтому вычислив величину обратной ЭДС в стационарной системе координат можно рассчитать положение ротора. Но, когда ротор не подвижен, обратная ЭДС отсутствует, а на низких оборотах обратная ЭДС имеет маленькую амплитуду, которую сложно отличить от шума, поэтому данный метод не подходит для определения положения ротора двигателя на низких оборотах.

Существует два распространенных варианта запуска СДПМ:
• запуск скалярным методом — запуск по заранее определенной характеристики зависимости напряжения от частоты. Но скалярное управление сильно ограничивает возможности системы управления и параметры электропривода в целом;
• метод наложения высокочастотного сигнала – работает только с СДПМ у которого ротор имеет явно выраженные полюса.

На текущий момент бездатчиковое полеориентированное управление СДПМ во всем диапазоне скоростей возможно только для двигателей с ротором с явно выраженными полюсами.