Расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов

В статье рассмотрено влияние переходных процессов в вентильном электродвигателе на характер его механической характеристики. Получена кривая изменения тока на интервале коммутации. Предложена методика расчета механической характеристики с учетом переходных процессов....

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2005
Main Authors:	Гетя, А.Н., Финкельштейн, В.Б.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2005
Series:	Електротехніка і електромеханіка
Subjects:	Електричні машини та апарати
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142543
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов / А.Н. Гетя, В.Б. Финкельштей // Електротехніка і електромеханіка. — 2005. — № 2. — С. 15-18. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-142543
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1425432018-10-12T01:23:02Z Расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов Гетя, А.Н. Финкельштейн, В.Б. Електричні машини та апарати В статье рассмотрено влияние переходных процессов в вентильном электродвигателе на характер его механической характеристики. Получена кривая изменения тока на интервале коммутации. Предложена методика расчета механической характеристики с учетом переходных процессов. В статі розглянуто вплив перехідних процесів у вентильному електродвигуну на характер його механічної характеристики. Отримана крива зміни струму на інтервалі комутації. Запропонована методика розрахунку механічної характеристики з врахуванням перехідних процесів. In the paper, influence of transient processes in an inverter-fed electromotor on its mechanical characteristic behavior is studies. A current curve within the commutation range is obtained. A technique of mechanical characteristic calculation with allowance for transient processes is introduced. 2005 Article Расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов / А.Н. Гетя, В.Б. Финкельштей // Електротехніка і електромеханіка. — 2005. — № 2. — С. 15-18. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142543 621.313 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Гетя, А.Н. Финкельштейн, В.Б. Расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов Електротехніка і електромеханіка
description	В статье рассмотрено влияние переходных процессов в вентильном электродвигателе на характер его механической характеристики. Получена кривая изменения тока на интервале коммутации. Предложена методика расчета механической характеристики с учетом переходных процессов.
format	Article
author	Гетя, А.Н. Финкельштейн, В.Б.
author_facet	Гетя, А.Н. Финкельштейн, В.Б.
author_sort	Гетя, А.Н.
title	Расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов
title_short	Расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов
title_full	Расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов
title_fullStr	Расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов
title_full_unstemmed	Расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов
title_sort	расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2005
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142543
citation_txt	Расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов / А.Н. Гетя, В.Б. Финкельштей // Електротехніка і електромеханіка. — 2005. — № 2. — С. 15-18. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT getâan rasčetharakteristikventilʹnyhélektrodvigatelejsučetomperehodnyhprocessov AT finkelʹštejnvb rasčetharakteristikventilʹnyhélektrodvigatelejsučetomperehodnyhprocessov
first_indexed	2025-07-10T15:14:52Z
last_indexed	2025-07-10T15:14:52Z
_version_	1837273442427076608
fulltext	Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №2 15 УДК 621.313 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕНТИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ Гетя А.Н. ГП "Харьковское агрегатное конструкторское бюро" Украина, 61023, Харьков, ул. Сумская, 132, ГП "ХАКБ" тел. (057) 707-02-71, факс (057) 707-02-73, E-mail: khadb@ukr.net Финкельштейн В.Б., д.т.н., проф. Харьковская Национальная академия городского хозяйства Украина, 61002, Харьков, ул. Революции, 12, ХНАГХ, кафедра "Электротехника" тел. (057) 732-93-69, E-mail: final@kharkov.ukrpack.net В статі розглянуто вплив перехідних процесів у вентильному електродвигуну на характер його механічної характери- стики. Отримана крива зміни струму на інтервалі комутації. Запропонована методика розрахунку механічної харак- теристики з врахуванням перехідних процесів. В статье рассмотрено влияние переходных процессов в вентильном электродвигателе на характер его механической характеристики. Получена кривая изменения тока на интервале коммутации. Предложена методика расчета меха- нической характеристики с учетом переходных процессов. Вентильные электродвигатели находят примене- ние в современной авиационной технике в качестве привода насосных станций, в гидравлических и элек- тромеханических следящих приводах, в различных электромеханизмах поступательного и вращательного действия и других устройствах и уверенно вытесняют коллекторные электродвигатели постоянного тока. Однако дискретность электромагнитных процессов в вентильном электродвигателе обусловленная малым числом фаз, а также совместная работа электродвига- теля с полупроводниковым коммутатором и обратной связью по положению ротора, приводит к необходи- мости учета влияния переходных процессов в много- фазной обмотке при расчете механической и рабочих характеристик. Цель настоящей работы заключается в учете влияния переходных процессов в обмотке вентильно- го электродвигателя на характер его механической и рабочих характеристик. В вентильных электродвигателях разработки ГП "ХАКБ" применяется трехфазная однослойная обмот- ка, соединенная в звезду. У такой обмотки в любой момент времени подключены две фазы, а третья либо замкнута накоротко с одной из работающих фаз через шунтирующий диод, либо разомкнута и ток в ней равен нулю. В процессе коммутации фаз обмотки имеют место участки нарастания и спадания тока, длительность которых определяется частотой враще- ния электродвигателя, которая в свою очередь зависит от индуктивности и сопротивления обмотки, характе- ристик силовых транзисторов и шунтирующих дио- дов. В литературе [1], при описании переходных про- цессов на различных участках коммутации, делаются допущения в части того, что силовой переключающий транзистор и шунтирующий диод являются идеаль- ными, т.е. падение напряжения на них в открытом состоянии пренебрежимо мало. Однако такое допу- щение справедливо только для вентильных электро- двигателей малой мощности, которые имеют сопро- тивление обмотки, превышающее сопротивление от- крытого канала транзистора в десятки и сотни раз. В мощных вентильных электродвигателях, предназна- ченных для работы от системы электроснабжения самолета с номинальным напряжением 27 В, сопро- тивление обмотки соизмеримо с сопротивлением от- крытого канала транзистора и его необходимо учиты- вать при расчете механической и рабочих характери- стик. Для примера, сопротивление двух, последова- тельно соединенных, фаз трехфазной обмотки вен- тильного электродвигателя мощностью 3 кВт, напря- жением питания 27 В, составляет 7 мОм, а сопротив- ление открытого канала транзистора FB180SA10 In- ternational rectifier, предназначенного для коммутации обмоток такого электродвигателя - 6,5 мОм. В вентильных электродвигателях, с энергетиче- ской точки зрения, наиболее выгодной является двух- полупериодная коммутация [2], [3], когда ток в фазе обмотки на периоде коммутации меняет свое направ- ление. Поскольку электромагнитные процессы в вен- тильном электродвигателе характеризуются повто- ряемостью с периодом 360 электрических градусов, то время пребывания фазы под током при двухполу- периодной шестишаговой коммутации определится выражением: ti=2⋅tk, (1) где: tk – длительность одного шага коммутации. np tk ⋅ = 10 , (2) где: р – число пар полюсов; n – частота вращения ро- тора, об/мин. При такой коммутации один шаг состоит из двух интервалов [4], [5], [6]. На одном интервале рис. 1а, ток протекает в двух фазах соединенных последова- тельно. На другом интервале рис. 1б, происходит на- растание тока в подключаемой фазе, изменение тока в работающей фазе и спадание тока в фазе замкнутой с работающей фазой через шунтирующий диод. 16 Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №2 Рис. 1. Схемы подключения фаз обмотки электродвигателя на различных интервалах коммутации При рассмотрении первого шага коммутации из рис. 1 видно первоначальное подключение к источни- ку питания фаз А и В через транзисторы VT1 и VT4 соответственно. После поворота ротора на 60 элек- трических градусов, по сигналам с датчика положе- ния ротора, происходит отпирание транзистора VT6 и подключение к источнику питания фазы С. При этом, фаза В отключается и замыкается через шунтирую- щий диод транзистора VT3. В фазе А наблюдается провал тока. Минимальное и максимальное значения изменения тока в фазе А, определяется длительно- стью второго интервала коммутации, на котором ток протекает в трех фазах одновременно рис. 1б. В мо- мент запуска или изменения нагрузки на валу элек- тродвигателя, первоначальное значение тока в фазе и значение к которому он возвращается после провала, отличается друг от друга. В установившемся режиме работы эти значения тока совпадают. Для определения мгновенных значений тока, частоты вращения и электромагнитного момента не- обходимо решить систему дифференциальных урав- нений, описывающих процессы преобразования энер- гии в электродвигателе на каждом интервале комму- тации с учетом падения напряжения на открытом ка- нале транзистора и шунтирующем диоде. На первом интервале коммутации, рис.1а, систе- ма уравнений может быть представлена в виде: ( ) ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ω= α ⋅⋅= −−= ω ⋅ =+⋅+⋅++⋅⋅ dt d CIM MMM dt dJ UEIRRML dt dI m pr ABVT 2 2)(2 дв пндв (3) для второго интервала согласно рис. 1б: ( ) ( ) ( ) ( ) ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ω= α ⋅⋅= −−= ω ⋅ =++− =++⋅++ +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +⋅+ =+⋅++ +⋅++⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +⋅+ dt d CIM MMM dt dJ III UEIIRR dt dI dt dIML EIRR IRR dt dI dt dIML mA pr CBA ACCAVT CA ABBD AVT BA VT 2 0 0)( )( дв пндв (4) где IA, IB, IC – токи в фазах A, B, C; ЕAB, ЕAC, – суммар- ная противо-ЭДС вращения наводимая в фазах A-B и A-C соответственно; L=LA=LB=LC, – индуктивность фазы; М – взаимная индуктивность фаз обмотки; R=RA=RB=RC, – сопротивление фазы; RVT, RDVT, – со- противление открытого канала силового транзистора и шунтирующего диода соответственно; U – напря- жение питания; Jpr – приведенный момент инерции вала и нагрузки; Сm – коэффициент момента; Мдв – электромагнитный момент; Мн – нагрузочный момент на валу электродвигателя; Мп – момент потерь в элек- тродвигателе. Момент от потерь в стали и подшипниках элек- тродвигателя можно записать следующим образом: 3 2 подш 5,0 стп )( ω⋅+ω⋅=ω kkM (5) где kст – постоянный коэффициент, зависящий от гео- метрии магнитопровода, магнитных свойств стали и ее технологической обработки; kподш – коэффициент, зависящий от размеров подшипников, вязкости при- мененной смазки и нагрузки действующей на под- шипники. Системы уравнений (3) и (4) интегрируются чис- ленно, например методами Рунге-Кутта. Шаг интег- рирования выбирается с учетом длительности одного шага коммутации определенного из уравнения (2). Например, для обеспечения требуемой точности ре- шения уравнений, вентильного электродвигателя мощностью 3 кВт, достаточно иметь 100 точек на од- ном шаге коммутации. Начальными условиями являются значения тока в каждой фазе на конце предыдущего интервала ком- мутации. При подключении электродвигателя токи в фазах равны нулю. Электрические схемы, соответствующие систе- мам уравнений (3) и (4) приведены на рис. 2. Для численного решения системы уравнений (3) и (4) необходимо представить разрешенными относи- тельно первых производных. Для интервала коммутации, согласно рис. 1а имеем: Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №2 17 ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ω= α −−⋅⋅ = ω +⋅ −⋅+⋅− = dt d J MMCI dt d LM EIRRU dt dI pr m ABVT пн2 )(2 )(2 (6) Рис. 2. Схемы обмотки и коммутатора для интервалов коммутации приведенных на рис. 1а и 1б а, для интервала коммутации, согласно рис. 1б имеем: [ ] [ ] [ ] ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ω= α −−⋅⋅ = ω ⋅++⋅+⋅+− −+⋅−⋅⋅ +⋅ = ⋅+⋅+⋅+−+ +−⋅+⋅ +⋅ −= −++⋅++ ++⋅⋅+⋅ +⋅ −= dt d J MMCI dt d IRRIIRR EEU LMdt dI IRREEU IIRR LMdt dI UEEIRR IIRR LMdt dI pr mA BDCAVT ABAC C BDABAC CAVT B ABACBD CAVT A VT VT VT пн2 )()2()( 22 )(3 1 )(22 )()( )(3 1 )( )2()( )(3 1 (7) Решения систем дифференциальных уравнений (6), (7) при различных нагрузочных моментах позво- ляют получить механическую и рабочие характери- стики вентильного электродвигателя. На рис. 3 приведена расчетная и эксперимен- тальная механические характеристики вентильного электродвигателя мощностью 3 кВт. Расчетная харак- теристика показана сплошной линией, а эксперимен- тальные точки, полученные в процессе испытаний, изображены квадратами. Из рис. 3 видно, что расчет с достаточной для практических целей точностью, от- ражает процессы, проходящие в электродвигателе. n, об/мин Mн, H⋅м Рис. 3. Механическая характеристика вентильного электродвигателя номинальной мощностью 3 кВт ___ – расчетная механическая характеристика, □ □ □ – измеренные значения зависимости n=f(M) Характер изменения скорости ротора, в процессе запуска, показан на рис. 4, а кривые изменения тока в фазах электродвигателя в процессе разгона приведены на рис. 5. Рис. 4. Зависимость частоты вращения от времени На рис. 5 показано нарастание тока в подключаемых фазах А и В, при этом ток в фазе С равен нулю. Далее виден второй участок коммутации на котором идет нарастание тока в подключаемой фазе С и спадание тока в отключаемой фазе В. В фазе А наблюдается колебание тока. Затем процесс повторяется. 18 Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №2 Рис. 5. Токи в фазах обмотки в процессе коммутации Характер протекающих процессов, приведенных на рис. 4 и 5, обусловлен индуктивностью, взаимной индуктивностью и сопротивлением фаз, а также сопротивлением ключей и шунтирующего диода. На рис. 6 представлен авиационный вентильный электродвигатель ДВ–3000 разработки и производства ГП "ХАКБ", расчет которого, выполнен по приведенной методике. КПД электродвигателя при напряжении питания 27 В и номинальной мощности 3 кВт – 83 %, а удельная мощность 0,57 кВт/кг. При напряжении питания 56 В и номинальной мощности на валу 6,8 кВт КПД составил 88 %, а удельная мощность 1,28 кВт/кг [7]. Рис. 6. Электродвигатель ДВ-3000 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Результаты расчета по предложенной методи- ке с учетом сопротивления открытого канала силово- го транзистора и сопротивления перехода шунти- рующего диода соответствуют измеренным парамет- рам вентильного электродвигателя с необходимой для инженерных расчетов точностью. 2. Вентильный электродвигатель, с параметрами, рассчитанными по данной методике, выдержал все виды испытаний и успешно эксплуатируется на само- лете АН-140. ЛИТЕРАТУРА [1] Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики Л.: Энергоатомиздат, 1985. 364с. [2] Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигате- ли постоянного тока Л.: Наука, 1979. 270с. [3] Адволоткин Н.П., Гращенков В.Т. и др. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока Л.: Энерго- атомиздат, 1984. 160с. [4] Brushless DC motor controller. Motorola. [5] J. Figueroa, J. Cros, P. Viarouge “Current control strategies for seven phase brushless DC motors” 15th International conference on electrical machines, August, 2002, Brugge, Belgium [6] Implementation of a sensorless speed controlled brushless DC drive using TMS320F240. Texas Instrument Europe. November 1997 [7] Гетя А.Н., Шарабан Ю.В. Перспективы применения вентильных электродвигателей в агрегатах авиационной техники // Электротехника и электромеханика. – 2003. - № 1. –С. 26-28. Поступила 11.01.2005

Расчет характеристик вентильных электродвигателей с учетом переходных процессов

Institution

Similar Items