ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ РЕГУЛИРУЕМОГО ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО

Полезная модель относится к электрическим машинам и может быть использована в электроприводе.
Известны синхронные вентильные двигатели [1]. Их недостатки - отсутствие унификации по габаритным и присоединительным размерам с асинхронными двигателями аналогичной мощности, ограничивающая конструктивную взаимозаменяемость, высокая стоимость из-за мелкосерийного производства.
Известны регулируемые электроприводы с асинхронным двигателем [2, Рис.3.10, 3.16]. Их недостатки - низкий КПД низкие динамические свойства, меньшая удельная мощность, сложная схема управления, отсутствие унификации по конструктивным элементам и габаритно-присоединительным размерам с синхронными двигателями аналогичной мощности.
Прототипом предлагаемого вентильного двигателя является Система векторного управления скоростью асинхронного электродвигателя [3].
Предлагаемый вентильный двигатель на базе асинхронного по сравнению с прототипом решает задачи повышения КПД, удельной мощности и динамических характеристик, снижения стоимости вентильного двигателя за счет использования технологичных корпусных деталей серийного асинхронного двигателя, обеспечения унификации по габаритным и присоединительным размерам.
Поставленная задача решается тем, что в вентильном двигателе на основе трехфазного асинхронного, включающем в себя статор, ротор и последовательно соединенные 3-х фазный широтно-импульсный модулятор (ШИМ), блок драйверов, инвертор, выход которого соединен с обмоткой статора, а шины питания соединены с источником постоянного напряжения, ротор выполнен с постоянными магнитами с числом полюсов, равным числу полюсов обмотки статора и дополнительно содержит датчик положения ротора, например синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), преобразователь координат (ПК) двухфазного сигнала в трехфазный и три умножителя, причем первые входы умножителей соединены с источником входного сигнала, вторые входы соединены каждый с первым, вторыми третьим выходами ПК, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым выходами СКВТ, а выходы умножителей соединены с первым, вторым и третьим входами ШИМ.
При этом СКВТ содержит одинаковое число полюсов с числом полюсов ротора двигателя, а ПК, умножители и ШИМ выполнены на программируемом микроконтроллере.
Устройство и работу вентильного двигателя поясняют чертежи, Фиг.1, 2, 3,4.
На Фиг.1 изображена функциональная электрическая схема вентильного двигателя.
На Фиг.2 показана конструкция собственно двигателя.
Фиг.3 поясняет преобразование двухфазных сигналов в трехфазные, осуществляемое ПК.
На Фиг.4 приведены механические характеристики исходного асинхронного двигателя и вентильного двигателя на базе асинхронного с тремя основными вариантами исполнения ротора.
Заявляемый вентильный двигатель на базе асинхронного (Фиг.1) содержит элементы асинхронного управляемого двигателя 1: 3-х фазный ШИМ 2, блок драйверов 3, инвертор 4, выход которого соединен с обмоткой статора 13 трехфазного асинхронного двигателя, а шины питания соединены с источником постоянного напряжения 11 и 12. В статоре асинхронного двигателя 13 размещен ротор 14, соединенный с осью СКВТ 15, синусная и косинусная обмотки которого соединены цепями 21 и 22 со входом ПК 16, 3-х фазный выход последнего - цепи 23-25 связан со вторыми входами умножителей 17-19, первые входы которого соединены с источником входного сигнала 20. Выходы умножителей цепями 26-28 соединены со входами ШИМ, выходы которого цепями 29-31 соединены со входами блока драйверов 3, шесть выходов последнего цепями 32-37 связаны с затворами или базами транзисторов 5-10 соответственно инвертора. Собственно электродвигатель содержит элементы асинхронного двигателя: корпус со щитами и подшипниками 38, запрессованный в корпус пакет статора 39 с обмоткой 13 и вал 40. В двигателе установлен ротор 14, включающий в себя кольцевой магнит 41, посаженный на стальной сердечник 42, жестко связанный с валом 40. В пространстве, свободном от лобовых частей короткозамкнутого ротора исходного асинхронного двигателя размещен СКВТ 15, причем ротор посажен на вал 40, а статор посредством втулки 43 связан с корпусом двигателя. Кольцевой магнит 41 вместе с сердечником 42 образуют магнитную систему двигателя с числом полюсов, равным числу полюсов обмотки статора 13. Намагничивание магнита производится до сборки ротора.
Работа вентильного двигателя заключается в следующем. СКВТ 15 вырабатывает сигналы Uα=Umsinφ и Uβ=Umcosφ, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота φ ротора 14 двигателя, которые поступают на вход ПК 16, преобразующего двухфазный сигнал СКВТ в трехфазный (Фиг.3) по формулам:
Сигналы Ua 25, Ub 24 и Uc 23 умножаются на входной сигнал 20, изменяющийся от нуля до «единицы». Выходные синусоидальные по форме (при вращении двигателя с постоянной скоростью) сигналы умножителей 26-28 поступают на вход 3-х фазного ШИМ 2, с выхода которого снимаются импульсные сигналы 29-31, модулированные по ширине импульса, так что ширина импульса, пропорциональна текущему значению входных сигналов ШИМ. Выходные сигналы ШИМ управляют блоком драйверов 3, который в свою очередь управляет транзисторами 5-10 инвертора 4, выход которого подключен к обмоткам 3-х фазного асинхронного двигателя 13, огибающие напряжения которого, снимаемого с инвертора по форме повторяют синусоидальные сигналы, снимаемые с выхода ПК 16, а по амплитуде пропорциональны входному сигналу 20. Для обеспечения регулирования скорости двигателя СКВТ 15 должен быть выставлен по исходному углу поворота таким образом, чтобы результирующий вектор фазного напряжения обмотки статора был перпендикулярен продольной оси намагничивания полюсной системы ротора двигателя 14.
х
x1
х2
п
п.1
п.2
х
x1
х
х2
х
Отличие регулировочных, динамических и энергетических характеристик вентильного двигателя на основе асинхронного иллюстрирует Фиг.4, где показаны механическая характеристика исходного двигателя - А и три механические характеристики вентильного двигателя на базе данного асинхронного-С, отличающиеся одна от другой своим наклоном, скоростями холостого хода - n, n, n и пусковыми моментами М, M, М. Разный ход механических характеристик обусловлен выбором индукции магнитов. Если магниты выбраны так, что обеспечивают индукцию в воздушном зазоре, равную индукции в исходном асинхронном двигателе, то скорость холостого хода такая же, как и исходного - n, но наклон механической характеристики преобразованного вентильного двигателя меньше, чем наклон линейного участка механической характеристики асинхронного двигателя, поэтому момент преобразованного двигателя Мн получается больше, чем номинальный момент асинхронного двигателя Мн.а, а следовательно, и больше мощность на валу при одном и том же фазном токе. При этом и КПД будет выше, а температура нагрева ниже, поскольку в роторе с постоянными магнитами тепло не выделяется в отличие от ротора асинхронного двигателя, потери в меди которого практически равны потерям в обмотке статора. При выборе магнитов с меньшей индукцией вентильный двигатель получается «скоростным» по сравнению с исходным (n>n), а при большей остаточной индукции магнитов двигатель получается «моментным» (n<n), что расширяет его функциональные возможности. Кроме того, при соответствующем исполнении инвертора, допускающего импульсную перегрузку по току, и пусковой момент преобразованного двигателя Мп существенно больше пускового Мп.а и критического Мк.а моментов исходного асинхронного двигателя, что обеспечивает более высокие динамические свойства заявленного двигателя.
Список использованных источников информации.
1. Жуков В.П., Нестерин В.А. Высокомоментные вентильные электродвигатели серии 5ДВМ. Электротехника, 2000, №6.
2. Слежановский О-В.и др. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. - Москва: Энергоатомиздат, 1983.
3. Патент РФ 2317632, МПК Н02Р 21/00. Система векторного управления скоростью асинхронного электродвигателя. (прототип)