2.12. Описание и общая характеристика вентильного электродвигателя

В последние годы получили достаточно широкое распространение вентильные электродвигатели.

Вентильным двигателем называется совокупность устройств, состоящая из синхронного двигателя, датчика положения ротора и коммутатора, подключающего обмотки статора к источнику постоянного напряжения в определенной последовательности в функции положения ротора. Обладает хорошими регулировочными свойствами, аналогичными свойствам электропривода постоянного тока.

Такая система подобна двигателю постоянного тока, где посредством коллекторного коммутатора к источнику постоянного тока подключается тот виток обмотки якоря, который находится под полюсами возбуждения.

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

В вентильном двигателе эти недостатки не проявля­ются, поскольку здесь щеточно-коллекторный коммутатор заме­нен бесконтактным, выполненным на тиристорах или транзисторах. 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 постоянного напряжения питания. Принципиальная схема вентильного электродвигателя приведена на рис.2.62, где

DR – датчик положения ротора;

СИФУ – система импульсного управления тиристорами выпрямителя;

СS система импульсного управления тиристорами инвертора;

VSL – тиристороный преобразователь для питания обмотки возбуждения;

U_упр – напряжение управления.

На схеме показан бесконтактный коммутатор, выполненный на запираемых тиристорах IGCT со встроенным блоком коммутации, однако его элементная часть (в зависимости от мощности электропривода) может быть и иной, а именно, могут быть использованы биполярные силовые транзисторы IGBT с изолированным затвором и шунтирующим диодом или тиристоры типа GTO. Вместо управляемого выпрямителя, также в зависимости от мощности электропривода, может быть применен неуправляемый в совокупности с тиристором, работающим в режиме импульсного регулирования.

В вентильных двигателях большой и средней мощности обычно используются синхронные двигатели обычной конструкции с электромагнитным возбуждением, как показано на рис. 2.24.

Электроприводы относительно небольшой мощности (до 200-300кВт) выполняются на базе трехфазной синхронной машины с постоянными высокоэнергетическими магнитами на роторе, изготовленными на основе сплавов самарий-кобальт и дру­гих.

Трехфазные обмотки статора вентильного электродвигателя питаются постоянным током, подаваемым поочередно в две последовательно соединен­ные фазные обмотки.

Рис.2.62. Схема вентильного электродвигателя

Момент, создаваемый двигателем, определяется взаимодей­ствием двух потоков: Ф₁ – статора, создаваемого током в обмотках статора, и Ф₂ – ротора.

, (2.98)

где - пространственный угол между векторами потоков статора и ротора;

р – число пар полюсов;

К – конструктивная постоянная машины.

Магнитный поток статора стремится повернуть ротор таким образом, чтобы поток ротора совпал по на­правлению с потоком статора.

Момент, создаваемый на валу ротора, достигает максимума при угле между векторами потоков, равным π / 2, и уменьшается до нуля по мере сближения векторов потоков.

Кривая зависимости момента М электродвигателя от угла приведена на рис.2.63.

Рис.2.63. Кривая зависимости момента электродвигателя от угла между векторами потоков статора и ротора при р = 1

Изменение величины напряжения питания вентильного двигателя в рассматриваемой схеме производится выпрямителем, а частоты – инвертором, где применена широтно (реже частотно)-импульсная модуляция.

Переключение обмоток производится инвертором VS1-VS6, управляемым от датчика DR положения ротора; при этом угол поддерживается в пределах 90°±30°, что соответству­ет максимальному значению момента с наименьшими пульса­циями.

Регулирование величины момента производится изменением величины МДС статора, то есть изменением величины действующего тока в обмотках статора:

, (2.99)

где U – напряжение питания;

- ЭДС обмотки статора;

- угловая скорость вращения ротора;

R – активное сопротивление обмотки статора.

Поскольку поток двигателя постоянен, то ЭДС Е, наводимая в двух последовательно включенных обмотках статора, будет пропорциональна скорости ротора. Уравнение электрического равновесия для цепей обмотки статора имеет вид:

, (2.100)

где L – индуктивность обмотки статора.

Следовательно, регулируя напряжение U питания двигателя можно регулировать величину скорости электродвигателя.

Очевидно, что (2.71) – (2.73) подобны аналогичным уравнениям для двигателя постоянного тока, вследст­вие чего механические характеристики вентильного двигателя в данной схеме подобны характеристикам двигателя постоянного тока независимого возбуждения при Ф=const и представлены на рис.2.64.

U1> U2>U3>U4

Рис.2.64. Семейство характеристик вентильного электродвигателя

Как указывалось выше, коммутация транзисторов осуществляется на основании информации, поступающей с датчика (DR) положения ротора. В качестве DR могут применяться вращающиеся трансформаторы или датчики Холла. Однако существуют механизмы, где такие устройства неприменимы, например, погружные установки. Поэтому здесь контроль положения ротора осуществляется за счет математической обработки параметров (ток, частота вращения, напряжение) на выходе станции управления. В настоящее время для погружного оборудования созданы "бездатчиковые" системы, не содержащих датчика положения ротора. Абсолютное большинство из них основаны на косвенном определении электрического положения ротора двигателя по направлению изображающего вектора составляющей магнитного потокосцепления.

Благо­даря своим хорошим регулировочным качествам вентильные двигатели получили широкое применение для привода различных промышленных машин и механизмов.

В нефтегазодобывающей промышленности «бездатчиковые» электроприводы с вентильными электродвигателями с постоянными магнитами на роторе применяются на погружных установках. Причем, если погружные установки с асинхронными электродвигателями имеют длину 24-25 м и поступают на скважины в разобранном виде, то есть требуют монтажных работ на месте, то погружные установки с вентильными электродвигателями имеют длину 7 м, изготавливаются единым блоком и могут быть спущены в скважину сразу после доставки.