Электропривод с бесконтактными синхронными двигателями


А. Ю. СМИРНОВ





            ЭЛЕКТРОПРИВОД С БЕСКОНТАКТНЫМИ СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ


Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

 УДК 621.313
 ББК31.261
      С50



Рецензент:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электротехники и электротехнических объектов водного транспорта Волжской государственной академии водного транспорта О. С. Хватов






      Смирнов, А. Ю.
С50 Электропривод с бесконтактными синхронными двигателями учебное пособие / А. Ю. Смирнов. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 228 с. : ил., табл.

          ISBN 978-5-9729-0869-1


    Рассмотрены бесконтактные синхронные машины, приведены классификация, описание конструкций, построение аналитических и численных моделей для исследовательских расчетов и проектирования индукторных двигателей с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов. Приведены примеры проектировочных и исследовательских расчетов работы синхронного привода систем автоматики посредством вычислительного эксперимента.
    Для студентов и аспирантов электротехнических специальностей, а также для специалистов и руководящих работников, научные интересы которых связаны с областью разработки и эксплуатации современного электропривода.


УДК 621.313
ББК31.261






ISBN 978-5-9729-0869-1     © Смирнов А. Ю., 2022

                         © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

    ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ.................................................5
1. НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
  В АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ..............................8
  1.1. Основные понятия и определения....................8
  1.2. Характеристики разомкнутого электропривода.......14
  1.3. Область применения...............................16
2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
  В  СИНХРОННОМ ПРИВОДЕ.................................18
  2.1. Классификация....................................18
  2.2. Комбинированные электромеханические преобразователи индукторного типа.....................................32
  2.3. Индукторные машины с магнитной асимметрией.......37
  2.4. Одноименно-полюсные индукторные машины с регулируемым потоком возбуждения....................39
  2.5. Машины с регулируемым потоком возбуждения постоянных магнитов..............................................47
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ СИНХРОННОГО ПРИВОДА.................52
  3.1. Проектирование шагового двигателя индукторного типа.52
     3.1.1. Пример проектирования.......................61
  3.2. Проектирование в составе шагового привода........65
     3.2.1. Пример проектирования.......................69
  3.3. Рекомендации по выбору методики..................84
  3.4. Проектирование синхронных двигателей с постоянными магнитами...............................85
     3.4.1. Одноименно-полюсные индукторные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов на роторе.......86
     3.4.2. Примеры проектирования.....................107
     3.4.3. Результаты проектировочных расчетов........109
  3.5. Проектирование и анализ магнитоэлектрических машин с преобразованием энергии на высшей гармонике поля якоря.113
  3.6. Высокооборотные синхронные машины с постоянными магнитами. Подход к проектированию.....121
  3.7. Проектирование магнитоэлектрических машин с кольцевой обмоткой якоря...........................131
  3.8. Уточненное проектирование на нелинейных моделях.140

3

4. СИЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА.............................................149
  4.1. Полупроводниковые переключающие устройства......149
  4.2. Управление усилителем мощности силового каскада.152
5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДВИЖЕНИЯ............................155
  5.1. Механические преобразователи движения...........155
  5.2. Датчики положения...............................158
  5.3. Синхронные муфты................................163
  5.4. Устройства контроля движения и скорости.........164
6. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ..............................166
  6.1. Цели и задачи расчетных исследований............166
  6.2. Определение электромагнитного момента или силы в электромеханическом преобразователе...............166
  6.3. Исследование работы шагового электропривода с питанием от источника напряжения..................167
     6.3.1. Описание модели............................167
     6.3.2. Алгоритм интегрирования уравнений модели...172
     6.3.3. Расчетные исследования.....................174
  6.4. Особенности моделирования в приводе с источником тока.180
  6.5. Расчеты электромагнитного момента электромеханических преобразователей методом конечных элементов..........186
  6.6. Замена объемных структур электромеханических преобразователей плоскими моделями...................188
  6.7. Синтез 3О-моделей униполярной индукторной машины......191
  6.8. Исследование электромеханических переходных процессов с применением сеточной модели.......................199
  6.9. Управляемые и неуправляемые переходные процессы.203
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................207
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ...............................208
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ......................211
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...............................212
ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................215
Приложение 1. Характеристики магнитных материалов......215
Приложение 2. Номинальные размеры высокотемпературных и жаростойких проводов.................................219
Приложение 3. Задания на курсовой (дипломный) проект, учебно-исследовательскую работу по теме «Проектирование индукторного двигателя для синхронного привода»...................................220

4

    ВВЕДЕНИЕ


    Электропривод и электромеханика как научные дисциплины сформировались в современном изложении во второй половине XX века. В этот период были изданы фундаментальные труды по основам теории, проектированию и обобщенной теории электрических машин, электромагнитным расчетам Г. Н. Петрова, М. П. Костенко и Л. М. Пиотровского, А. И. Вольдека, В. П. Шуйского, а позднее А. В. Иванова-Смоленского, И. П. Копылова и других авторов. Была издана литература по проектированию электрических машин под ред. Т. Г. Сорокера, П. С. Сергеева, И. П. Копылова, И. М. Постникова, О. Д. Гольдберга, Я. С. Гурина и др. по электроприводу под ред. М. Г. Чиликина, А. С. Сандлера и др. Эти труды по-прежнему актуальны и являются основой специального высшего образования до сих пор.
    Учебники содержат математическое описание электромагнитных и электромеханических процессов в электрических машинах, построенное на определенной идеализации в части свойств магнитных материалов, взаимоиндуктивных связей между обмотками и характеристик электрических сетей. Наиболее крупными трудами по автоматизированным расчетам электрических машин в бывшем СССР можно назвать книги И.П.Копылова и монографию под ред. А.В.Иванова-Смоленского, посвященную универсальному методу расчета.
    Вместе с тем, современная практика в электромашиностроении и электромеханике во многом выходит за рамки классической теории электропривода и электрических машин. Можно отметить следующие тенденции:
    •  все более тесное взаимодействие машины и полупроводникового преобразователя, что зачастую не позволяет рассматривать их независимо друг от друга;
    •  освоение в промышленных масштабах новых типов электрических машин;
    •  внедрение в повседневную практику инженеров и исследователей мощных средств вычислительной техники и специального программного обеспечения, позволяющего на стадии разработки выполнять глубокие расчетно-экспериментальные исследования машин и электроприводов на их основе.
    Имеющиеся специальные курсы по электрическим машинам дают прежде всего качественное описание электромеханических процессов, необходимое для понимания физической сущности электромагнитных и электромеханических процессов. Количественное соответствие в настоящее время достигается компьютерным моделированием на основе фунда

5

ментальных методов и эмпирических зависимостей, позволяющих учитывать нелинейность электрических и магнитной цепей машины.
    Настоящая книга позволит сформировать у читателя активный подход к решению конструкторских и расчетных задач в области электромеханики, позволяющую обоснованно строить и развивать математические модели электрических машин в конкретных случаях применения, использовать вычислительную технику не только для проектирования, но и для испытаний посредством проведения вычислительных экспериментов.
    Рассматриваются методы и примеры проектирования электропривода на базе синхронных машин, их поверочных и исследовательских расчетов посредством фундаментальных методов математического анализа: метода конечных элементов, матричной алгебры, численного интегрирования дифференциальных уравнений, математического аппарата теории планирования эксперимента.
    Приведено развернутое описание бесконтактных синхронных машин, методик их проектирования. Даны задания для рефератов, курсовых и дипломных проектов по электрическим машинам и электроприводу, отличных от содержащихся в разработанных ранее учебниках по проектированию классических машин переменного тока.
    Использование пособия в учебном процессе позволит позволит студентам, бакалаврам и магистрам приобрести и расширить базовые понятия по дисциплине «Электрические машины»:
    •  знать принцип действия и классифицировать различные конструкции синхронных машин, составлять уравнения, схемы замещения и рассчитывать по ним характеристики, иметь общее представление о проектировании, испытаниях и моделировании электрических машин;
    •  владеть способами решения практических задач по проектированию, испытаниями и эксплуатации электрических машин;
    •  знать способы управления синхронными двигателями, схемнотехнические решения устройств управления, методы анализа параметров и характеристик синхронного привода;
    •  владеть навыками постановки и решения задач по расчетному исследованию электропривода с синхронными двигателями, и применять для этого современные методы математического анализа: матричной алгебры, планирования эксперимента, метода конечных элементов;
    •  уметь проводить проектировочные расчеты бесконтактных синхронных машин, в том числе с учетом параметров электропривода, а также проектировать силовой компонент электромагнитных подшипников.

6

    Книга предназначена для студентов, бакалавров, магистров и аспирантов, а также для специалистов и руководящих работников, научные, образовательные или профессиональные интересы которых связаны с областью разработки и эксплуатации автоматических систем с синхронными двигателями и современного электропривода.

7

    1.   НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА В АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ



   1.1. Основные понятия и определения


    Совокупность устройств, которые вместе приобретают свойства, которыми не обладают каждое из них в отдельности, образует электротехнический комплекс.
    Простым и важным примером электротехнического комплекса с электромеханическим преобразователем вполне можно считать обычную коллекторную машину постоянного тока (рис. 1.1).
    На сердечниках главных полюсов 1 статора установлены катушки 2 одной или двух обмоток возбуждения. Число главных полюсов обычно составляет 4-6, в микромашинах - 2. В очень крупных машинах их количество может доходить до нескольких десятков.
    Полюса закреплены на станине 3. Станина или корпус в машинах постоянного тока является частью магнитопровода.
    На валу ротора установлен пакет магнитопровода якоря 4, набранный из листов электротехнической стали. В его пазы уложена обмотка якоря. Она состоит из секций 5, подключенных к пластинам коллектора 6. По ним скользят щетки 7.

Рис. 1.1. Схема конструкции машины постоянного тока

    Основные конструктивные признаки современной машины постоянного тока сформировались во второй половине XIX века, благодаря изобретениям Б. С. Якоби, А. Пачинотти, 3. Грамма, В. Сименса и др.


8

    При несложном анализе в этой машине можно выделить три устройства, скомпонованных в общем корпусе:
      •  электромеханический преобразователь синхронного типа, или просто синхронную машину;
      •  преобразователь частоты;
      •  датчик положения ротора.
    Элементами (узлами) электромеханического преобразователя являются ротор 4 с обмоткой якоря 5 и главные полюса 1 с катушками 2 обмотки возбуждения, замкнутые между собой в магнитном отношении станиной 3.
    Механический преобразователь частоты представлен щеточноколлекторным узлом из деталей поз 6 и 7.
    Функция датчика положения ротора обусловлена способностью коллектора переключать секции обмотки якоря в строго заданном положении каждой из них, при прохождении через плоскость, расположенную вблизи геометрической нейтрали - плоскости с нулевой индукцией в воздушном зазоре.
    Из теории электрических машин [2, 3, 5, 8, 10] хорошо известно, что характеристики синхронной машины: рабочие, пусковые, механические заметным образом отличаются от аналогичных характеристик машины постоянного тока, в частности вторая, в отличие от первой обладает пусковым моментом. Т. е. синхронная машина, будучи дополненной преобразователем частоты и датчиком положения ротора, приобретает новые свойства и составляет с ними электротехнический комплекс.
    Исторически сложилось, что машины с обратной связью по положению ротора были изобретены задолго до появления полупроводниковых инверторов. Машины с механическим преобразователем частоты, или просто коллекторные машины, получили широкое применение в технике со второй половины XIX в. и благодаря ряду своих положительных качеств применяются до сих пор.
    Тем не менее, наличие скользящих контактов остается серьезным недостатком коллекторных машин постоянного тока, ограничивающим ресурс и делающим необходимость периодического технического обслуживания. Поэтому вместо коллектора в настоящее время все чаще используются полупроводниковые преобразователи. В генераторе они преобразует переменный ток в постоянный и выполняют функции выпрямителя. В двигателе преобразователь, напротив, должен преобразовывать постоянное напряжение или ток в переменный, т. е. выполнять функции инвертора .
    Простейшим инвертором является комбинация ключей, по числу фаз двигателя, или по удвоенному числу его фаз, позволяющих подавать постоянное напряжение на его зажимы в определенной последовательности.

9

Рис. 1.2. Схема конструкции бесконтактного двигателя постоянного тока

    Ключи K1 - K3 простейшего инвертора в цепи обмотки якоря трехфазной синхронной машины можно переключать по сигналам датчика положения, ротор которого закреплен на одном валу с ротором двигателя. Одна из многих возможных конструкций такого датчика представляет собой систему магнитоуправляемых

контактов, число которых соответствует числу фаз обмотки якоря. Магнитоуправляемые контакты замыкаются под воздействием потока постоянного магнита, установленного нароторе (рис. 1.2).
    При включении двигателя один из магнитоуправляемых контактов B1 - B3 приведет в действие (замкнет) соответствующий ключ K1, K2 или K3, подавая напряжение источника на фазу обмотки двигателя. Ротор придет во вращение в направлении пространственной оси, находящейся под напряжением фазы. По достижении им некоторого углового положения магнит датчика разомкнет первоначально замкнутый магнитоуправляемый контакт и замкнет следующий. Эти контакты обесточат первую включенную фазу и подадут напряжение на следующую. В результате этого переключения ротор продолжит вращение в направлении пространственной оси очередной включенной фазы до тех пор, пока магнит датчика положения не разомкнет ее магнитоуправляемый контакт и не замкнет магнитоуправляемый контакт третьей фазы. Движение ротора будет продолжено теперь уже в направлении этой фазы, до нового замыкания магнитоуправляемого контакта и ключа исходной фазы.
    Для того, чтобы ротор никогда не достигал положений с нулевым значением вращающего момента, магнитоуправляемые контакты датчика расположены под таким углом относительно пространственных осей фаз, что при приближении ротора к оси включенной фазы контакт размыкается и включается следующая по направлению вращения фаза обмотки якоря.
    Так же как и в коллекторной машине, в таком двигателе контролируется состояние ключей, подающих напряжение на фазы, но с помощью отдельного датчика Датчик здесь выполняет функцию обратной связи по положению ротора. Без достижения ротором определенных угловых положений переключения фаз не произойдет. Такой привод называют замкнутым.
    Электродвигатели и другие электромеханические преобразователи, управление током якоря которых осуществляется переключением полу

10

проводниковых приборов (вентилей) по сигналам датчика положения ротора, называются вентильными двигателями, а электропривод, построенный на базе вентильного двигателя - вентильным приводом.
    Примером такой машины и привода, широко применяемых в подавляющем большинстве отраслей современной техники, является привод вентилятора. Неподвижной частью вентильного двигателя обращенной конструкции этого привода (рис. 1.3) является втулка 1, с одной стороны она заканчивается установочным фланцем (показана только на одном виде).

Рис. 1.3. Вентильный двигатель постоянного тока (обращенной конструкции)

    На наружной поверхности втулки закреплен магнитопровод статора 2 с кольцевой обмоткой якоря 3, а на внутренней - подшипники 4 и 5. Они поддерживают вал 6 внешнего ротора. Диск 7 из не ферромагнитного материала, жестко закрепленный на валу, передает на него вращающий момент со стороны магнитопровода ротора 8 (вал, диск и подшипники также показаны только на одном виде), внутренней поверхности которого установлены постоянные магниты 9 и 10 «северного» и «южного» полюсов. Помимо создания поля возбуждения, поток магнитов воздействует на элементы Холла датчика положения ротора. Его пластина 11 закреплена на фланце втулки, с возможностью подстройки по угловому положению.
    Двигатель управляется через выводы 1 - 8 обмотки якоря от преобразователя частоты ПЧ посредством ключей на транзисторах V1 - V16 (рис. 1.4), открываемых и закрываемых по сигналам датчика положения ротора. Алгоритм включения и отключения транзисторов по сигналам многофазного датчика построен таким образом, что каждый момент времени включенным оказывается один транзистор из группы, соединенной с положительной шиной выпрямителя и один транзистор из группы, соединенной с отрицательной шиной выпрямителя. При смежные транзисторы

11

каждой группы коммутируются: один в каждой из них отключается, разрывая цепь питания секции, как при сбегающей пластине коллектора. Другой транзистор, смежный со включенным транзистором в каждой группе включается, подавая напряжение противоположенного направления, как в набегающей пластине коллектора обычной машины постоянного тока.

Рис. 1.5. Функциональная схема шагового привода

     Однако допустимо нарушить обратную связь по положению ротора и переключать обмотку якоря машины независимо от достигнутого ротором углового положения. С помощью ключей инвертора K1 - K3 инвертора трехфазной машины можно поочередно подавать напряжение на ее фазы в последовательности K1, K2, K3, K1 и т. д. (рис. 1.5). При таком управлении после каждого переключения ротор двигателя будет поворачиваться на определенный угол.
В трехфазной машине вели-

360° z          г ч        360°
чина угла составит а =----- (m - число фаз) или а =----машине с зуб-
mp                         mZ
чатым статором (реактивной или индукторной). Этот угол называется шагом двигателя, а определение шаговый двигатель относится к синхронной машине с управлением током или напряжением в фазах посредством ключей инвертора, совершающей дискретные перемещения (шаги) в строгом соответствии с количеством переключений ключей инвертора. С каждым

12