Возможности синхронных двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

электродвигатель асинхронный вентильный электропривод

Развитие элементной базы силовой электроники, а также элементной базы систем управления расширяет функциональные возможности синхронных двигателей. Электропривод на основе трехфазных вентильных синхронных двигателей находит все более широкое применение: в газоперекачке, в водоснабжении, на цементных заводах - в мельницах и пылеуловителях, а также в аэродинамических трубах, приводах машин, испытательных стендах и др.

Работы по дальнейшему усовершенствованию электропривода на основе вентильного синхронного двигателя имеют важное практическое значение. В связи с этим представляет интерес исследование электропривода на основе пятифазного вентильного синхронного двигателя.

Еще Доливо-Добровольский отмечал, что при увеличении числа фаз улучшается распределение намагничивающей силы по окружности статора асинхронного двигателя и использование машины. Уже переход от двухфазной системы к трехфазной системе дает значительный выигрыш в этом отношении. Предполагалось, что дальнейшее увеличение числа фаз нецелесообразно, так как оно привело бы к значительному увеличению расхода меди на провода. Однако в настоящее время разработан и применяется тяговый электропривод на основе четырехфазного асинхронного двигателя (m=4), который установлен на серийном электровозе серии 2ЭС10 «Гранит». Тяговый электропривод постоянного тока на основе четырехфазного асинхронного двигателя выполнен немецким концерном Siemens. Также находят все более широкое применение многофазные (m = 5) машины, например, автомобильные генераторы Bosch серии Power Density Line, выполненные с пятифазной рабочей обмоткой. Применение пятифазной обмотки в генераторе значительно ослабляет магнитный шум, особенно когда автомобильный двигатель работает на малых оборотах.

Многофазные электромеханические систем уже находят применение на электротранспорте, автотранспорте, поэтому их дальнейшие исследования представляют интерес.

Так в 2014 году началось производство автомобильных генераторов серии Power Density Line (PL), они будут включать в себя устройства мощностью от 1,5 до 3 кВт. Эти генераторы имеют меньшие массо-габоритные показатели, более высокую эффективность и безопасность низкий уровень шума. Для производителей автомобилей премиум-класса вопрос снижения уровня шума, слышимого в салоне, имеет первостепенное значение. И в этом отношении новая серия генераторов PL обладает целым рядом конструктивных преимуществ перед своими предшественниками. Так, использование пятифазной обмотки значительно ослабляет магнитный шум, особенно когда двигатель работает на малых оборотах.

1. Электромеханические системы на основе различных типов электродвигателей с применением микроконтроллеров

Теория управления механическими и электромеханическими системами является одной из центральных в современной теории управления и привлекает значительный интерес исследователей как в нашей стране, так и за рубежом. Разработка алгоритмов управления такими системами и, в частности роботами-манипуляторами, является важной практической задачей, актуальность которой обусловлена, в первую очередь, их широким применением в различных областях человеческой деятельности.

Для того чтобы начать, непосредственно, исследование алгоритмов управления, рассмотрим современные электромеханические системы.

1.1 Обзор современных технических решений

Трехфазный асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель состоит из неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части, называемой ротором, разделенных воздушным зазором. Сердечник статора состоит из спинки (ярма), через которую замыкается магнитный поток вращающегося магнитного поля, и зубцов, между которыми находятся пазы с расположенной в них трехфазной обмоткой. В расточке сердечника статора находится ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки, которая расположена в пазах сердечника и состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых с обеих сторон кольцами.

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока, создавать вращающееся магнитное поле.

При включении обмотки статора в трехфазную сеть в магнитной системе двигателя возникает магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой. Поле сцепляется с обмоткой ротора индуцирует в его стержнях электродвижущие силы. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС, наведенные в стержнях этой обмотки, создадут в них токи. В результате взаимодействия токов в роторе с вращающимся полем статора на стержнях ротора создаются электромагнитные силы. Совокупность электромагнитных сил образует на роторе электромагнитный момент, под действием которого ротор приводится во вращение в направлении вращения магнитного поля статора.

Если необходимо изменить направление вращения магнитного поля, то изменяют порядок следования фаз трехфазной системы токов, подводимых к трехфазной обмотке. Число полюсов асинхронного двигателя определяется конструкцией обмотки статора, при этом число полюсов ротора равно числу полюсов статора.

АД применяется в: приводах подъемных механизмов, приводах конвейерных лент, управлением сцепления, приводах стиральных машин, системах нагрева, системах вентиляции и кондиционирования.

Рисунок 1.1 Схема асинхронного двигателя

Рисунок 1.2 Система управления асинхронным двигателем

Трехфазный синхронный двигатель переменного тока

Синхронный двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором. Существуют конструктивные разновидности исполнения, отличающиеся в основном устройством ротора: явнополюсные с электромагнитным возбуждением, явнополюсные с возбуждением постоянными магнитами, явнополюсные реактивные (с невозбужденным ротором), неявнополюсные гистерезисные.

В синхронной машине с возбуждением от постоянных магнитов на статоре расположена 3-х фазная обмотка (в отличие от бесщеточного двигателя постоянного тока, у которого обмотка статора выполнена сосредоточенной). Когда по 3-х фазной обмотке протекает переменный ток, возникает вращающееся магнитное поле. Благодаря синусоидальному распределению обмотки результирующий момент, создаваемый полем, более равномерный по сравнению с бесщеточным двигателем постоянного тока.

Применяется этот тип двигателя для привода компрессоров, насосов, вентиляторов, посудомоечных машин, стиральных машин, в сервоприводах.

Рисунок 1.3 Схема синхронного двигателя

Рисунок 1.4 Система управления синхронным двигателем

Щеточный двигатель постоянного тока.

Щеточные двигатели как правило состоят из якоря вращающегося в постоянном магнитном поле, которое создается постоянным магнитом или обмоткой, связанной последовательно или параллельно с якорем (в универсальном двигателе). В результате взаимодействия тока якоря с полем магнита статора (полем возбуждения) появятся электромагнитные силы создающие электромагнитный момент. Под действием этого момента якорь приходит во вращение. После поворота якоря электромагнитные силы и электромагнитный момент не изменят своего направления, так как при переходе каждого пазового проводника обмотки якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса постоянного магнита в этих проводниках меняется направление тока, так как переключаются пластины коллектора. Скорость двигателя пропорциональна приложенному напряжению. Реверс вращения обеспечивается изменением полярности питания обмотки якоря. К недостаткам щеточных двигателей относят: искрение щеток их нагрев, износ, создание электромагнитных помех.

ЩДПТ находят применения в производстве игрушек, зубных щеток, небольших вентиляторов, аккумуляторного инструмента.

Рисунок 1.5 Схема щеточного двигателя постоянного тока

Рисунок 1.6 Система управления щеточным двигателем постоянного тока

Бесщеточный двигатель постоянного тока

В щеточных двигателях постоянного тока индуктор на основе постоянных магнитов располагается на статоре, а якорная обмотка на роторе. Бесщеточный двигатель постоянного тока имеет обращенную конструкцию, т.е. индуктор на основе постоянных магнитов на роторе, а якорная обмотка на статоре. Кроме того, существует два типа бесщеточных двигателей постоянного тока; тип который имеет внешний вращающийся магнит и тип с внутренним вращающимся магнитом. В бесщеточных двигателях постоянного тока положение фаз, по отношению к полюсам магнитов определяется датчиками, которые обеспечивают необходимую коммутацию фаз. Как правило, датчики Холла применяются для фиксации положения ротора. Используются также бессэнсорные методы.

Применяется для привода компрессоров, насосов, вентиляторов, посудомоечных машин, стиральных машин, автоматического открывания дверей, системы нагрева, вентиляция и кондиционирования воздуха.

Рисунок 1.7 Схема бесщеточного двигателя постоянного тока

Рисунок 1.8 Система управления бесщеточным двигателем постоянного тока

1.2 Обзор методов управления частотно-регулируемым синхронным двигателем

1.2.1 Скалярный тип управления

При скалярном (частотном) управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя.

При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей.

Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

1.2.2 Векторный тип управления

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.

Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление». Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты.

Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна.

Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости - сотые доли процента, точность по моменту - единицы процентов.

В синхронном частотно регулируемом приводе применяются те же методы управления, что и в асинхронном.

Однако в чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателей применяется только при малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, и мала инерция приводного механизма. При больших мощностях этим условиям полностью отвечает лишь привод с «вентиляторной» нагрузкой. В случаях с другими типами нагрузки двигатель может выпасть из синхронизма.

Для синхронных электроприводов большой мощности применяется метод частотного управления с самосинхронизацией, который исключает выпадение двигателя из синхронизма. Особенность метода состоит в том, что управление преобразователем частоты осуществляется в строгом соответствии с положением ротора двигателя.

1.3 Вентильный электропривод

1.3.1 Применение вентильных двигателей

В самом общем случае вентильным можно назвать любой электропривод, в котором регулирование режима работы электродвигателя производится с помощью управляемых вентильных (полупроводниковых) преобразователей электрической энергии: выпрямителя, импульсного регулятора постоянного тока, преобразователя частоты. В более узком, общепринятом смысле вентильный электропривод (ВЭП) или вентильный двигатель (ВД) представляет собой электромеханотронную систему, в которой объединены синхронная электрическая машина, как правило, с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ) (рисунок 1.9), электронный коммутатор (инвертор), посредством которого осуществляется питание обмоток якоря машины, и система автоматического управления инвертором, оснащенная необходимыми измерительными устройствами (датчиками). Традиционно управление ключами инвертора ВЭП осуществляется в функции положения ротора синхронного двигателя. Благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам, СДПМ являются наиболее перспективными электрическими

Рисунок 1.9 Вентильный двигатель ВД-300 мощностью 7,5кВт, используется в качестве исполнительного элемента в быстродействующих следящих приводах

машинами в диапазоне малых и средних мощностей, особенно для моментных систем электропривода. СДПМ конструктивно просты, надежны, имеют абсолютно жесткие механические характеристики и не требуют затрат энергии на возбуждение. Эти качества электрической машины обуславливают применение ВД в промышленных системах автоматики, роботах и манипуляторах, приводах подач и главного движения металлорежущих станков, координатных устройствах, автоматических линиях по обработке различных материалов или сборке изделий, упаковочных и печатных машинах, принтерах и плоттерах, намоточных и лентопротяжных механизмах, прецизионных системах слежения и наведения, в авиационной и медицинской технике. ВД имеют свою "нишу" в тяговом электроприводе (электровоз ВЛ80ВР), приводах рулевого управления летательных и подводных аппаратов, электромеханических устройствах автомобилей (электромеханические усилители руля, стартер-генераторные устройства гибридных автомобилей, стеклоподъемники и др.), мотор-колесах аккумуляторных индивидуальных транспортных средствах (электровелосипеды, инвалидные коляски различных разработок), в бытовых устройствах (стиральная машина "Орь-Автомат", проигрыватели компакт-дисков).

1.3.2 Преимущества вентильных электроприводов

Постоянное удешевление магнитных материалов, а также ускоряющееся развитие аппаратной базы систем управления и устройств силовой электроники сделали возможным применение ВД в тех областях техники, где традиционно применялись только машины постоянного тока или специальные асинхронные двигатели.

Это объясняется целым рядом конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ СДПМ по сравнению с другими существующими типами электрических машин, к числу которых можно отнести следующие:

- бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания.

Отсутствие у вентильных электродвигателей скользящих электрических контактов существенно повышает их ресурс и надежность по сравнению с электрическими машинами постоянного тока или асинхронными двигателями с фазным ротором, расширяет диапазон достижимых частот вращения. Обмотка якоря СДПМ может быть запитана более высоким номинальным напряжением, поэтому конструктивная постоянная момента Cm ВД существенно превышает аналогичную величину классических машин постоянного тока, что позволяет использовать при подключении ВЭП кабели меньшего сечения и преобразователи электрической энергии на меньшие токи;

- большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно допустимый момент и ток СДПМ могут превышать номинальные значения в 5 и более раз);

- высокое быстродействие в переходных процессах по моменту;

- абсолютно жесткая механическая характеристика и практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения (1:10000 и более). Возможность регулирования частоты вращения как вниз от номинальной (с постоянством длительно допустимого и максимального моментов), так и вверх (с постоянством мощности);

- наилучшие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности).

КПД вентильных двигателей превышает 90% и незначительно отклоняется от номинального при вариациях нагрузки, в то время как у серийных асинхронных двигателей мощностью до 10 кВт максимальный КПД составляет не более 87,5% и существенно зависит от момента. Так, уже при половинной нагрузке на валу он может упасть до 60-70%;

- минимальные токи холостого хода;

- минимальные массогабаритные показатели при прочих равных условиях.

электродвигатель асинхронный вентильный электропривод

1.3.3 Вентильный двигатель переменного тока

Синхронные двигатели с синусоидальной формой ЭДС вращения и, соответственно, с синусоидально распределенными по расточке статора трехфазными обмотками якоря сложнее в изготовлении, имеют значительные лобовые части обмоток и требуют, таким образом, большего расхода меди. Однако они превосходят БДПТ по массогабаритным показателям, обеспечивают минимальные пульсации вращающего момента и поэтому используются в глубоко регулируемых и прецизионных системах электропривода, приводах подач металлорежущих станков и измерительных установках. В отличие от БДПТ, питание обмотки якоря ВД переменного тока осуществляется трехфазно-симметричной системой токов (напряжений), при этом используется ставшая уже стандартной силовая схема преобразователя электрической энергии на базе транзисторного IGBT-инвертора напряжения (рисунок 1.10). Благодаря управлению транзисторами инвертора в режиме модифицированной синусоидальной или пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с относительно высокими частотами (для двигателей малой и средней мощности с номинальной частотой питания 50 Гц частоты ШИМ могут составлять от 1 до 20 кГц) обеспечивается близкая к синусоидальной форма токов ВД.

Направлением наиболее динамичного развития ВЭП является создание "бездатчиковых" систем, не содержащих датчика положения ротора.

Рисунок 1.10 Функциональная схема силовой части преобразователя ЭРАТОН

1.3.4 Примеры исследования алгоритмов работы многофазной электромеханической системы на примере пятифазного преобразователя

На рис.1 изображена функциональная схема пятифазного мостового преобразователя (тока или напряжения), подключенного к симметричной нагрузке соединенной по схеме звезда. Этой нагрузкой может быть, например, пятифазный двигатель (синхронный или асинхронный).

Рис. 1

Состояние, когда верхний ключ диагонали преобразователя замкнут, а нижний разомкнут, обозначим логической единицей. Состояние, когда верхний ключ диагонали преобразователя разомкнут, а нижний замкнут, обозначим логическим нулем. В этом случае возможно 2⁵=32 состояний ключей преобразователя, которые формируют соответствующие напряжения и токи в нагрузке. Каждое из состояний формирует результирующий вектор напряжения, который образуется в результате суммирования фазных векторов напряжения. Два вектора из 32 принято называть нулевыми. Это вариант когда все верхние ключи преобразователя замкнуты, а нижние разомкнуты, и наоборот, когда верхние ключи разомкнуты, а нижние замкнуты. В этом случае фазы замкнуты накоротко. Режим может представлять интерес в электроприводе при электромагнитном торможении. Остается 30 ненулевых векторов, которые формируются, когда одновременно активны все пять диагоналей моста, т.е. замкнут или верхний или нижний ключ каждой из диагоналей преобразователя.

Необходимо отметить, что существуют три других режима, когда одновременно активны две диагонали, три диагонали и четыре диагонали преобразователя.

Данная работа посвящена исследованию алгоритмов, когда одновременно активны все пять диагоналей, четыре диагонали, три диагонали и две диагонали преобразователя.

Возможные состояния векторов преобразователя соответствуют следующим тридцати логическим состояниям: 10000 ….. 01111. Логическая единица соответствует верхнему замкнутому ключу, логический ноль - нижнему замкнутому ключу. Например, состояние 10000 соответствует коммутации 1,4,6,8,10 по рис.1.

Для создания преобразователем симметричного пятифазного напряжения с временным сдвигом фаз 72 градуса необходимо десять коммутаций ключей за период в определенной последовательности. Графически это будет представлено как вращающийся вектор.

Первая последовательность: 1,4,6,7,9; 1,4,6,8,9; 1,3,6,8,9; 1,3,6,8,10; 1,3,5,8,10; 2,3,5,8,10; 2,3,5,7,10; 2,4,5,7,10; 2,4,5,7,9; 2,4,6,7,9.

Вторая последовательность: 1,4,6,7,10; 1,4,5,8,9; 2,3,6,8,9; 1,3,6,7,10; 1,4,5,8,10; 2,3,5,8,9; 2,3,6,7,10; 1,4,5,7,10; 2,4,5,8,9; 2,3,6,7,9;

Третья последовательность: 1,4,6,8,10; 1,3,5,8,9; 2,3,6,8,10; 1,3,5,7,10; 2,4,5,8,10; 2,3,5,7,9; 2,4,6,7,10; 1,4,5,7,9; 2,4,6,8,9; 1,3,6,7,9;

Рассмотрим формирование результирующего вращающегося вектора тока при первой последовательности коммутаций. Если преобразователь подключен к пятифазному двигателю, результирующий вектор - это результирующий вектор намагничивающей силы в воздушном зазоре.

При коммутации 1,4,6,7,9 эквивалентная схема нагрузки имеет вид, представленный на рис.2а. Если модуль входного тока I_ВХ принять за единицу, то модули векторов A, D, E равны 0,33, а модули и знак векторов B и С равны -0,5. (В последующих рассуждениях также предполагается равенство единице входного тока I _ВХ). При суммировании векторов A, D, E, -B, -C получается результирующий вектор тока 1, который имеет направление вектора E, а его модуль равен 1,4, что представлено на рис.2а.

Рис. 2

При коммутации 1,4,6,8,9 эквивалентная схема нагрузки имеет вид, представленный на рис.2б. Модули векторов A и E равны 0,5, а модули и знак векторов B, С, D равны -0,33. При суммировании векторов A, E, -B, -C, -D получается результирующий вектор 2, который имеет направление вектора -C, т.е. сдвинут относительно вектора 1 на 36 градусов, а его модуль также равен 1,4, что представлено на рис.2б.

Рис. 3

Дальнейшее построение результирующих векторов соответствующих коммутаций первой последовательности приводит к совокупности векторов 1-10, изображенных на рис.3. Модули векторов 1-10 равны 1,4, а сами вектора сдвинуты на 36 градусов.

Рассмотрим формирование результирующего вращающегося вектора тока второй последовательности коммутаций.

При коммутации 1,4,6,7,10 эквивалентная схема нагрузки имеет вид, представленный на рис.4. Модули векторов A и D равны 0,5, а модули и знак векторов B, С, E равны -0,33. При суммировании векторов A, D, -E, -B, -C получается результирующий вектор 11, который имеет направление вектора E, а его модуль равен 0,5, что представлено на рис.4а.

При коммутации 1,4,5,8,9 эквивалентная схема нагрузки имеет вид, представленный на рис.4б. Модули векторов A, C, E равны 0,33, а модули и знак векторов B и D равны -0,5. При суммировании векторов A, C, E, -B, -D получается результирующий вектор 12, который имеет направление вектора -C, а его модуль равен 0,5,что представлено на рис.4б.

Рис. 4

Дальнейшее построение результирующих векторов соответствующих коммутаций второй последовательности приводит к совокупности векторов 11-20, изображенных на рис.3. Модули векторов 11-20 равны 0,5, а сами вектора сдвинуты на 36 градусов.

Как видно из рис. 4 длина результирующих векторов 11 и 12 может быть увеличена, если исключить при их построении вектора -E и C соответственно, что означает отключение одной диагонали из режима коммутации преобразователя, т.е. осуществлять коммутацию в четыре ключа. При этом длина результирующего вектора возрастет до 1,1. Эти рассуждения справедливы при построении всех векторов второй последовательности коммутаций при исключении отрицательных векторов. Четырех ключевой алгоритм работы преобразователя в этом случае принимает следующий вид: четвертая последовательность - 1,4,6,7; 1,4,8,9; 3,6,8,9; 1,3,6,10; 1,5,8,10; 2,3,5,8; 2,3,7,10; 4,5,7,10; 2,4,5,9; 2,6,7,9. На рис.3 данный алгоритм соответствует совокупности векторов 21-30.

Из рис.2 видно, что режим первой последовательности коммутаций в пять ключей, не имеет резерва увеличения длины результирующего вектора за счет исключения из коммутации одной из диагоналей преобразователя, т.к. все вектора при построении результирующего вектора имеют одинаковое направление.

Рассмотрим формирование вращающегося вектора третьей последовательности коммутаций.

При коммутации 1,4,6,8,10 эквивалентная схема нагрузки имеет вид, представленный на рис.5а. Модуль векторов A равен 1, а модули и знак векторов B, С, D, E равны -0,25. При суммировании векторов A, -D, -E, -B, -C получается результирующий вектор, который имеет направление вектора А , а его модуль равен 1,25, что представлено на рис.5а.

Рис. 5

При коммутации 1,3,5,8,9 эквивалентная схема нагрузки имеет вид, представленный на рис.5б. Модуль и знак вектора D равен -1, а модули векторов А, B, С, E равны 0,25. При суммировании векторов -D, A, E, B, C получается результирующий вектор, который имеет направление вектора -D, а его модуль равен 1,25, что представлено на рис.5б.

Дальнейшее построение результирующих векторов соответствующих коммутаций третьей последовательности коммутаций приводит к совокупности векторов 31-40, изображенных на рис.3. Модули векторов 31-40 равны 1,25, а сами вектора сдвинуты на 36 градусов.

Как видно из рис.5а, обнуление векторов -B и -E приводит к увеличению результирующего вектора до величины 1,8. Это возможно, если в момент коммутации две диагонали преобразователя сделать не активными, т.е. исключить коммутацию 4 и 10 ключей. В этом случае коммутация осуществляется тремя ключами 1,6,8. Это справедливо в том случае, если входной ток преобразователя также как и в предыдущих трех случаях равен единице.

Распространяя эти рассуждения на все векторы третьей последовательности коммутаций, получим следующую трех ключевую последовательность коммутаций: пятая последовательность - 1,6,8; 1,3,8; 3,8,10; 3,5,10; 2,5,10; 2,5,7; 2,4,7; 4,7,9; 4,6,9; 1,6,9. Для данной последовательности коммутаций на рис.3 вектора представлены номерами 41-50.

Также возможно формирование симметричного пятифазного напряжения и вращающегося результирующего вектора пятифазным преобразователем при двух ключевой коммутации. В этом случае длина результирующего вектора равна 1,9, а последовательность коммутаций имеет вид: шестая последовательность - 9,6; 1,6; 1,8; 3,8; 3,10; 5,10; 5,2; 7,2; 7,4; 9,4. Для данной последовательности коммутаций на рис.3 вектора представлены номерами 51-60.

Для подтверждения теоретических построений были проведены экспериментальные исследования работы пятифазного преобразователя. В качестве нагрузки была использована активная пятифазная звезда. Измерения проводились на частоте 2,5 Гц. При подключении к преобразователю пятифазного синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов, форма тока фазы аналогична форме тока при активной нагрузке. Это справедливо на низкой частоте до 2,5 Гц. При увеличении частоты форма тока искажается в результате действия реакции якоря.

Реализовано шесть алгоритмов работы преобразователя (шесть описанных выше последовательностей коммутаций), при этом входной ток I _ВХ во всех шести случаях поддерживался постоянным (0,7 А). На рис.6(а - е) представлены мгновенные значения токов одной из фаз нагрузки при шести различных алгоритмах работы преобразователя. Соотношения длины векторов, приведенных на рис. 2, 4, 5, соответствуют экспериментальным мгновенным значениям токов фазы, приведенным на рис.6 а, б, в. Напряжения питания, при которых достигается ток 0,7 А, приведены на рис.6 под соответствующими осциллограммами. Осциллограммы сняты в одной размерности время-размах, ШИМ = 50%.

а) б)

ШИМ 50% I _ВХ =0,7А; U _ВХ =15,9В ШИМ 50% I _ВХ =0,7А; U _ВХ =15,9В

в) г)

ШИМ 50% I _ВХ =0,7А U _ВХ =23,4В ШИМ 50% I _ВХ =0,7А U _ВХ =18,9В

д) е)

ШИМ 50% I _ВХ =0,7А U _ВХ =27,8В ШИМ 50% I _ВХ =0,7А U _ВХ =36,8В

Рис. 6

Рис.6 (а, б, в) соответствует пяти ключевому режиму коммутации, рис.6г соответствует четырех ключевому режиму коммутации, рис.6 д соответствует трех ключевому режиму коммутации, рис.6 е соответствует дух ключевому режиму коммутации преобразователя.

Из тридцати возможных одновременных коммутаций пяти ключей существуют другие варианты последовательностей. Например, последовательность: 1,6,10,3,7; 1,6,10,4,7; 1,5,10,4,7; 1,5,10,4,8; 1,5,9,4,8; 2,5,9,4,8; 2,5,9,3,8; 2,6,9,3,8; 2,6,9,3,7; 2,6,10,3,7. При такой последовательности коммутаций преобразователем будет сформировано симметричное пятифазное напряжение с временным сдвигом, который соответствует 72 градусам, но в последовательности чередования фаз A C E B D. В этом случае звезда векторов будет иметь вид, представленный на рис.7, причем длина вектора при единичном входном токе I _ВХ равна 0,5. Если составить последовательность коммутаций таким образом, чтобы получить вращающийся вектор в последовательности 1, 4, 7, 10, 3, 6, 9, 2, 5, 8 по рис.7, то последовательность коммутаций примет вид, который был назван ранее «вторая последовательность коммутаций».

Рис. 7

Из всех вариантов последовательностей коммутаций в пять ключей существует только три, которые формируют вращающийся результирующий вектор, что рассмотрено в [1]. Однако существуют последовательности коммутаций в четыре, в три и в два ключа пятифазного преобразователя, которые формируют вращающийся результирующий вектор и обеспечивают создание вращающегося магнитного поля пятифазного двигателя, если подключить его к преобразователю. Каждый из алгоритмов обеспечивает вполне определенные характеристики двигателя и может быть использован при скалярном и векторном управлении.

Из приведенных рассуждений следует, что пространство состояний коммутаций пятифазного преобразователя шире, чем (2⁵ - 2), а определенные последовательности коммутаций в два, три и четыре ключа создают вращающийся результирующий вектор и могут быть использованы при питании пятифазного двигателя.

При подключении преобразователя к симметричному пятифазному двигателю и реализации последовательности коммутаций: 1,6,10,3,7; 1,6,10,4,7; 1,5,10,4,7; 1,5,10,4,8; 1,5,9,4,8; 2,5,9,4,8; 2,5,9,3,8; 2,6,9,3,8; 2,6,9,3,7; 2,6,10,3,7 формируется пространственно временное распределение намагничивающих сил фаз, которому соответствуют следующие аналитические выражения:

(1)

где , , , , - гармонические составляющие намагничивающих сил фаз, - номер гармоники.

Как видно из выражений (1) фазы A, B, C, D, E с пространственным сдвигом 72 электрических градуса, коммутируются с временным сдвигом, который соответствует 216 градусам, т.е. временная последовательность коммутации фаз следующая: A, C, E, B, D. В этом случае круговое вращающееся поле по первой гармонике, как прямого, так и обратного следования не формируется. Это следует из анализа выражений (1).Эксперименты с данной последовательностью коммутаций показали, что ротор пятифазного двигателя в этом режиме находится в неподвижном состоянии.

Размещено на Allbest.ru