1. УСТРОЙСТВО И ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЕНТИЛЬНЫХ ИНДУКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

 

1.1. Общие сведения

 

    Вентильный индукторный двигатель (в англоязычной литературе switched reluctance motor – двигатель с переключаемым магнитным сопротивлением) – это индукторная синхронная машина, в которой преобразование энергии осуществляется за счет изменения индуктивностей обмоток, расположенных на явно выраженных зубцах статора, при перемещении относительно них зубчатого магнитопровода ротора. Питание ВИД осуществляется от электронного преобразователя (коммутатора), который поочередно переключает обмотки двигателя в строгом соответствии с перемещением ротора. Для управления электронным преобразователем ВИД используется микропроцессор.

    ВИД представляет собой сложную комплексную систему, в которой совместно работают различные по своей физической природе элементы. Для успешного проектирования таких систем необходимы глубокие знания в области механики и конструирования машин, электромеханики, электроники и микропроцессорной техники.

    Несмотря на то, что интенсивные работы по изучению и исследованию систем электропривода с ВИД ведутся на протяжении уже двух десятилетий, устоявшейся терминологии для обозначения самого объекта исследования до сих пор нет. В данном учебном пособии используется термин “вентильный индукторный двигатель”.

    Перспективность ВИД проявилась в 80-х годах ХХ века благодаря бурному развитию технологий электронной промышленности и, в первую очередь, силовой электроники. Большой качественный скачок в этом направлении позволил промышленности приступить к серийному выпуску новой элементной базы, обладающей высокими показателями по быстродействию и предельным параметрам. Дальнейший прогресс в области информационных технологий и компьютерной техники, наблюдающийся с 90-х годов XX века, окончательно определил место ВИД в ряду современных и перспективных ЭМ для систем электропривода нового поколения, позволил реализовать сложные алгоритмы управления, применить для их создания компьютерные системы автоматизированного проектирования.

    Современный ВИД представляет собой электродвигатель, работающий совместно с электронным преобразователем, выполненным по интегральной технологии, и микропроцессором, позволяющим осуществить оптимальное управление двигателем с максимальными показателями качества преобразования энергии.

    Однако, как и любое техническое устройство, ВИД имеет и достоинства, и недостатки.

    К достоинствам ВИД следует отнести надежность и простоту конструкции, возможность получения как сверхвысоких, так и сверхнизких частот вращения, что, с одной стороны, во многом определяется механической прочностью ротора и отсутствием скользящих контактов, с другой, – электромагнитной редукцией частоты вращения в ВИД и гибкостью системы управления. Как правило, ротор ВИД обладает малым моментом инерции, что позитивно отражается на динамике его работы. Эти двигатели способны функционировать в тяжелых и изменяющихся условиях окружающей среды в диапазоне нагрузок от холостого хода до короткого замыкания. Простая конфигурация магнитной системы и сосредоточенные обмотки, позволяющие упростить обмоточный процесс, делают конструкцию ВИД технологичной и относительно дешевой, а интегральное исполнение элементов системы управления улучшает массогабаритные показатели машины.

    ВИД обладают широким диапазоном плавного и экономичного регулирования частоты вращения, хорошими регулировочными и динамическими характеристиками, высокими энергетическими показателями. Наличие системы микропроцессорного управления позволяет применять оптимальные алгоритмы управления двигателем в зависимости от заданного режима, а также осуществлять диагностику состояния всей системы электропривода.

    К недостаткам ВИД относят повышенный уровень шумов и вибраций, которые возникают из-за пульсаций вращающего момента и действия радиальных сил магнитного тяжения. Необходимость в датчике положения ротора также считается одним из недостатков ВИД. Можно отметить и повышенные отходы электротехнической стали при штамповке магнитопровода, которые являются следствием явно выраженной двухсторонней зубчатости сердечников. При работе ВИД токи и напряжения в нем изменяются по резко несинусоидальным законам, поэтому для соблюдения требований, предъявляемых к потребителям электроэнергии по излучению в сеть высших гармоник, необходима установка фильтрующих устройств.

    Однако следует заметить, что в настоящее время многие из указанных недостатков успешно устраняются: применяются методы косвенного определения положения ротора (бездатчиковое управление), благодаря чему из состава ВИД исключается механический датчик положения, а шумы и вибрации могут быть минимизированы выбором оптимального алгоритма управления и детальным профилированием зубцовой зоны.

    В последние годы на базе конструкции ВИД часто проектируют приводы прямого действия (direct drive), т. е. приводы, в которых ЭМ непосредственно встроена в рабочий орган исполнительного механизма с целью максимального сокращения промежуточных кинематических передач, исключения многоступенчатого преобразования энергии и получения высокой компактности устройства. Это позволяет повысить точность режима движения и значительно улучшить энергетические, динамические и массогабаритные показатели механизма.

    Простота конструкции, а также особенности принципа действия ВИД создают благоприятную основу для выработки удачных и оригинальных технических решений. Бытовая техника, медицина, добыча и переработка нефти и газа, электроэнергетика, робототехника, станкостроение, электрический транспорт, автомобилестроение, металлургия, аэрокосмическая промышленность – вот далеко не полный список областей, в которых ВИД успешно конкурируют с другими типами электрических машин.