Вентильно-индукторный электропривод электромобиля

Вентильный индукторный двигатель (в англоязычной литературе
используется термин switched reluctance motor) – это индукторная
синхронная машина, которая преобразует энергию путём изменения
индуктивности обмоток, располагающихся на зубцах статора, во время
перемещения относительно них зубцов магнитопровода ротора. Питание к
ВИД поступает от коммутатора, который поочередно переключает обмотки
двигателя соответственно перемещению ротора. Управление коммутатором
ВИД происходит посредством микропроцессора.
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 данной работе используется термин “вентильно-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 и датчиком положения ротора.
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 обуславливается
механической прочностью ротора двигателя и тем, что двигатель лишен
скользящих контактов, с другой, – электромагнитной редукцией частоты
вращения в ВИД и наличием гибкой системы управления. Как правило, ротор
ВИД обладает малым моментом инерции, что позитивно отражается на
динамике его работы. ВИД способен сохранять работоспособность даже в
суровых условиях окружающей среды в диапазоне изменения нагрузок,
начиная от холостого хода и заканчивая коротким замыканием. Простая
конструкция магнитной системы ВИД и сосредоточенные обмотки,
существенно упрощающие обмоточный процесс, делают устройство
двигателя технологичным и относительно дешевым, в сравнении с
аналогами, кроме того интегральное исполнение составляющих системы
управления заметно улучшает массогабаритные показатели машины.
ВИД обладают достаточно широким диапазоном плавного управления
частотой вращения ротора, хорошими динамическими и регулировочными
характеристиками, а также более чем удовлетворительными энергетическими
показателями. Микропроцессорная система управления ВИД дает
возможность использовать оптимальные алгоритмы управления двигателем в
соответствии с заданным режимом и осуществлять диагностику состояния
всех частей системы электропривода.
К недостаткам ВИД относят повышенный уровень шумов и вибраций,
которые возникают из-за пульсаций вращающего момента и действия
радиальных сил магнитного притяжения. Необходимость в датчике
положения ротора также считается одним из недостатков ВИД. Можно
отметить и более высокие отходы электротехнической стали, используемой
при штамповке магнитопровода двигателя, являющиеся следствием
двухсторонней зубчатости сердечников. Во время работы ВИД напряжения и
токи в фазах изменяются по законам, отличающимся от синусоидальных,
следовательно, для соблюдения требований, которые предъявляются к
потребителям электроэнергии по отдаче высших гармоник в сеть, существует
необходимость в установке 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 возможности
получения более низких габаритов устройства. Это позволяет увеличить
точность перемещения и значительно улучшить динамические,
энергетические и массогабаритные показатели механизма электропривода.
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.
Отличительная особенность вентильной индукторной машины
заключается в том, что конкурентоспособные относительно традиционных
электрических машин энергетические и массогабаритные показатели могут
быть получены исключительно в случае полезного использования насыщения
магнитной системы. Поэтому в таких машинах выбираются такие
конструктивные параметры и электромагнитные нагрузки, при которых в
зоне перекрытия полюсов статора и ротора достигается сильное локальное
насыщение, при соответствующих условиях переходящее насыщение
магнитной системы в целом.
В большей части работ, отмечающих достоинства ВИД, говорится о
перспективности их применения. Но, к сожалению, на данный момент
машины этого типа применяются преимущественно в электроприводах
установок широкого применения, для которых не требуются высокие
динамические показателей привода (вентиляторы, насосы, бытовая техника
различные конвейеры, малогабаритный транспорт и т.д.). Это можно
объяснить тем, что присущий ВИД дискретный характер работы в
совокупности с нелинейными магнитными характеристиками сильно
осложняет применение к ним традиционных методов синтеза регуляторов
для замкнутых структур управления необходимых, чтобы достичь требуемых
показателей качества управления выходными координатами (такими как
момент и скорость). ВИД причисляются к большому классу систем, для
которых нелинейные свойства играют огромную роль, важность которой
сложно переоценить, поэтому можно получить качественно неверные
результаты в случае пренебрежение этими свойствами.
СОДЕРЖАНИЕ