 Овчинников, И. Е. 035 Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность) / И. Е. Овчинников : Курс лекций. - СПб. : КОРОНА-Век, 2007. - 336 с. : ил. В книге рассматривается круг вопросов, относящихся к регулируемым вентильным двигателям с коммутаторами (инверторами) на транзисторах и полностью управляемых GTO-тиристорах. Помимо освещения основ теории собственно двигателей изучаются возможности регулирования их скорости и момента, а также вопросы динамики и построения математических моделей. Материал книги представлен в форме курса лекций и предназначен студентам и аспирантам специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов». Книга будет полезна также научным, работникам и инженерам, работающим в области современного электромашиностроения и электропривода.
Предисловие ........................................ 9
Тема I ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ЛЕКЦИЯ 1. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НА ОСНОВЕ ТРАДИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.
БЕСКОНТАКТНЫЙ АНАЛОГ КОЛЛЕКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ 13
1. Общие требования, предъявляемые к электроприводам ............13
2. Коллекторный двигатель постоянного тока ..............................13
3. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором ..............15
4. Синхронный двигатель ............................................................19
5. Влияние условий теплоотвода на массогабаритные показатели . . 20
6. Сравнительный анализ традиционных двигателей ....................23
7. Создание бесконтактного аналога двигателя с механическим коллектором ................................................................................25
ЛЕКЦИЯ 2*. ПРИНЦИП РАБОТЫ БЕСЩЕТОЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА. ПРОСТЕЙШИЕ СХЕМЫ ДВИГАТЕЛЕЙ 27
1. Электромагнитный момент электрической машины ......... 27
2. Элементарный вентильный двигатель
с постоянным магнитом на роторе '..................... 33
3. Элементарный вентильный двигатель с невозбужденным ротором . . 38
ЛЕКЦИЯ 3*. ТЕРМИНОЛОГИЯ. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ .......43
1. Терминология. Вопросы классификации ..................................43
2. Принципиальные электрические схемы ....................................47
3. Конструкции двигателей ..........................................................53
Тема II ДАТЧИКИ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ
ЛЕКЦИЯ 4*. ДАТЧИКИ ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА (ДПР) ..............57
1. Датчики индуктивного типа ......................................................58
2. Датчики с гальваномагнитными элементами ............................61
3. Датчики оптического типа с фотоэлектронными элементами . . 63
4. Индукционный датчик положения аналогового типа ..................65
ЛЕКЦИЯ 5. АНАЛОГОВЫЕ ДАТЧИКИ СКОРОСТИ
И ИМПУЛЬСНЫЕ ДАТЧИКИ ............................................69
1. Аналоговые тахогенераторы ....................................................69
2. Импульсные датчики ................................................................72
Выполнение функций датчика пути ..........................................72
Выполнение функций датчика скорости ..................................73
Выполнение функций датчика положения ротора (ДПР) ............73
Типы импульсных датчиков ......................................................74
Тема III
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КЛЮЧИ НА ПОЛНОСТЬЮ УПРАВЛЯЕМЫХ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТАХ
ЛЕКЦИЯ 6*. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИЛОВЫМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ КЛЮЧАМ. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ........................... 78
1. Основные определения .............................. 78
2. Требования, предъявляемые к полупроводниковым
ключам ......................................... 79
3. Типы транзисторов, применяемых в силовых ключах ........ 79
4. Параметры силовых полупроводниковых элементов в
составе ключа .................................... 83
ЛЕКЦИЯ 7*. ЦЕПИ ЗАЩИТЫ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ................................. 84
1. Общие требования по обеспечению надежной работы ....... 84
2. Защита от превышения тока выше допустимого
значения ........................................ 84
3. Защита от перенапряжения в момент отключения .......... 86
4. Защита от недопустимой скорости нарастания тока
и напряжения ...................................' 87
ЛЕКЦИЯ 8*. СИЛОВЫЕ КЛЮЧИ
И СХЕМА КОММУТАТОРА ....................... 89
1. Принципиальные схемы силовых ключей ................. 89
2. Диаграммы напряжений «эмиттер-коллектор»
силового ключа и выбор транзисторов по напряжению ...... 93
Напряжение на ключах шеститранзисторного мостового
коммутатора ................................... 93
Напряжения на ключах трехтранзисторного полумостового
коммутатора ................................... 96
3. Полная электрическая схема коммутатора ................ 98
Тема IV
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ И РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ С АКТИВНЫМ РОТОРОМ
ЛЕКЦИЯ 9*. УСТАНОВИВШИЕСЯ ПРОЦЕССЫ ДЛЯ ТОКОВ И МОМЕНТОВ. МГНОВЕННЫЕ И СРЕДНИЕ ВЕЛИЧИНЫ В ПРЕНЕБРЕЖЕНИИ ИНДУКТИВНОСТЬЮ ОБМОТКИ .... 101
1. ЭДС вращения обмотки на межкоммутационном периоде ... 101
2. Электромагнитный момент
и усредненные характеристики ...................... 106
ЛЕКЦИЯ 10*. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК БЕЗ УЧЕТА
ИНДУКТИВНОСТИ ОБМОТКИ .................... 109
1. Механическая характеристика ........................ 109
2. Идеализированный коэффициент полезного действия .......111
3. Расчетные соотношения для характеристик .............. 115
ЛЕКЦИЯ 11*. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА МЕЖКОММУТАЦИОННОМ ПЕРИОДЕ С УЧЕТОМ ИНДУКТИВНОСТИ ОБМОТКИ ................................. 118
1. Исходные уравнения для трехфазного двигателя
с коммутатором мостового типа ...................... 118
2. Преобразование переменных и анализ решения .......... 122
3. Мгновенные токи фаз в установившемся режиме .......... 126
ЛЕКЦИЯ 12*. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ С УЧЕТОМ ИНДУКТИВНОСТИ ОБМОТКИ ........................... 129
1. Средние значения момента, мощности и КПД ........................129
2. Анализ влияния индуктивности обмотки на характеристики двигателя ...............................................133
3. Пример расчета характеристик ..............................................138
Тема V
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ И РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ С РЕАКТИВНЫМ РОТОРОМ
ЛЕКЦИЯ 13. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ВЕНТИЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ С НЕВОЗБУЖДЕННЫМ (РЕАКТИВНЫМ)
РОТОРОМ ................................. 141
1. Исходные уравнения ............................... 141
2. Определение начальной угловой фазы настройки ДПР ...... 144
3. Преобразование уравнений для токов .................. 146
ЛЕКЦИЯ 14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МГНОВЕННЫХ ТОКОВ ФАЗ
НА МЕЖКОММУТАЦИОННОМ ПЕРИОДЕ ............ 151
1. Начальные и граничные значения токов ................. 151
2. Определение мгновенных токов ...................... 155
ЛЕКЦИЯ 15. МГНОВЕННЫЙ И СРЕДНИЙ МОМЕНТ
ДВИГАТЕЛЯ ..............................................................158
1. Определение мгновенного момента ......................................158
2. Определение среднего момента и механической характеристики ....................................................................160
3. Пример расчета момента двигателя ......................................165
Тема VI
ВОПРОСЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
ЛЕКЦИЯ 16*. ПУСК И РЕВЕРС ДВИГАТЕЛЯ . ,............167
1. Пуск двигателя ....................................167
2. Системы реверса ..................................168
Переключение начал и концов фаз обмотки ..............170
Переключение чувствительных элементов ДПР, сдвинутых
на 180" .......................................170
Применение дополнительного комплекта чувствительных
элементов ДПР .................................172
Изменение полярности подводимого напряжения ..........174
ЛЕКЦИЯ 17*. ТОРМОЖЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ..............175
1. Режимы работы ...................................175
2. Принципиальные схемы режимов торможения .............177
3. Торможение опускаемого груза ........................ 179
ЛЕКЦИЯ 18*. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПЛАВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПОДВОДИМОГО НАПРЯЖЕНИЯ ...................182
1. Структурные схемы .................................182
2. Линейное (непрерывное) управление скоростью ...........183
ЛЕКЦИЯ 19*. ОДНОПОЛЯРНОЕ ИМПУЛЬСНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ .................................188
1. Импульсная функция ................................188
2. Регулирование скорости однополярными импульсами .......189
3. Регулирование в режиме непрерывных токов .............192
4. Пример выбора частоты импульсов .....................196
5. Регулирование в режиме прерывистых токов ..............197
ЛЕКЦИЯ 20*. ИМПУЛЬСНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ
ДВУПОЛЯРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ..................200
1. Двуполярная импульсная функция и эквивалентная электрическая
схема ..........................................200
2. Режимы знакопостоянного и знакопеременного тока.
Регулировочная характеристика .......................203
3. Энергетика процессов импульсного регулирования двуполярными импульсами ......................................208
ЛЕКЦИЯ 21*. РЕЛЕЙНОЕ И ДИСКРЕТНО-ФАЗОВОЕ
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ....................213
1. Релейное регулирование ............................213
2. Дискретно-фазовое регулирование .....................216
ЛЕКЦИЯ 22*. ЭЛЕКТРОПРИВОД С ВЫСОКОЙ РАВНОМЕРНОСТЬЮ МОМЕНТА..................................223
1. Условия обеспечения равномерности момента ............223
2. Двухфазный моментный двигатель .....................225
3. Структурная схема моментного привода .................228
Тема VII ВОПРОСЫ ДИНАМИКИ ПРИВОДА С ВЕНТИЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
ЛЕКЦИЯ 23*. УРАВНЕНИЯ ДИНАМИКИ
И ПРИБЛИЖЕННЫЕ АНАЛИТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ .... 231
1. Общий случай ....................................231
2. Переходные процессы разгона и торможения в пренебрежении индуктивностью обмотки и при постоянстве момента нагрузки 232
3. Переходные процессы изменения скорости
при учете индуктивности фаз .........................234
ЛЕКЦИЯ 24*. ПЕРЕХОДНЫЕ И УСТАНОВИВШИЕСЯ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЗНАКОПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ ............237
1. Общий случай решения уравнения динамики ..............237
2. Реакция двигателя
на периодические изменения
напряжения питания ...............................242
3. Пульсации скорости под воздействием
неравномерного момента двигателя ....................246
ЛЕКЦИЯ 25. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ
1. Модель трехфазного двигателя ........................254
2. Уравнения на межкоммутационном периоде ..............256
3. Выражения для момента двигателя .....................263
4. Токи и моменты для любого угла поворота ротора ..........263
5. Полная система уравнений динамики ...................266
6. Пример моделирования процесса пуска .................268
7. Выводы по использованию математической модели .........271
ЛЕКЦИЯ 26. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ
УСРЕДНЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ МОМЕНТОВ И ТОКОВ ......272
1. Токи и углы коммутации .............................272
2. Электромагнитные моменты и их зависимость
от угла опережения включения Р0 ..................................279
3. Потребляемая мощность и КПД........................287
4. Полная система уравнений динамики с использованием усреднения момента на межкоммутационном периоде ...............293
ЛЕКЦИЯ 27. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРИ ПИТАНИИ ФАЗ НАПРЯЖЕНИЯМИ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ ........295
1. Двухфазный вентильный двигатель .....................295
2. Трехфазный вентильный двигатель .....................307
ЛЕКЦИЯ 28. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРИ ПИТАНИИ ФАЗ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ.
ГАРМОНИЧЕСКАЯ ЛИНЕАРИЗАЦИЯ ................314
1. Статические характеристики. Сравнение различных подходов .314
2. Математическая модель для исследования переходных процессов .......................................322
ЛЕКЦИЯ 29*. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ...................328
1. Принцип отработки сигнала задания ....................328
2. Управление моментом
за счет изменения угла опережения р0 ..................330
3. Система ограничения тока и момента ...................331
4. Заключение ......................................332
МГНОВЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ МОМЕНТОВ И ТОКОВ .......253
| 
