Вентильно-реактивные двигатели

В последние 20—25 лет широкое распространение получили вентильные реактивные, или вентильно-индукторные двигатели (ВИД). В англоязычном варианте этот акроним обычно имеет вариант SRD — Switched Reluctance Drive — переключаемый реактивный привод. Имеют хождение и другие варианты этого термина: управляемый вентильный реактивный двигатель, коммутируемый реактивный двигатель с переменным магнитным сопротивлением, электронно-коммутируемый двигатель, бесконтактный реактивный двигатель, двигатель с электромагнитной редукцией, шаговый двигатель, работающий в режиме постоянного вращения. По традиционной классификации электрических двигателей ВИД наиболее близок к редукторным синхронным двигателям с сосредоточенными обмотками, питаемыми от источника изменяемой частоты. Он может быть отнесен к «интеллектуальным» электромеханическим преобразователям, осуществляющим и преобразование энергии, и управление этим преобразованием по необходимым заданным законам изменения частоты вращения, механического момента, мощности, энергии, КПД и т.п. Новые возможности электромеханических преобразователей энергии реализованы в ВИД благодаря прогрессу в создании полупроводниковых ключей, микропроцессорных элементов, а также программных средств управления этими двумя блоками.
В современном виде вентильно-индукторный двигатель — это электромеханический комплекс, сочетающий в себе электрическую машину индукторного типа (ИМ) и интегрированную систему регулируемого электропривода (рис. 1), включающую в себя преобразователь частоты, систему управления и датчик положения ротора. Нашли распространение и бездатчиковые системы управления.
Датчик Ток Момент положения                   ротора

Обратная связь
Рис. Структурная схема вентильного реактивного двигателя
Функциональное назначение этих элементов ВИД очевидно: преобразователь частоты обеспечивает питание фаз ИМ однопо- лярными импульсами напряжения любой произвольной формы; ИМ осуществляет электромеханическое преобразование энергия, а система управления в соответствии с заложенным в нее алгоритмом и сигналами обратной связи, поступающими от датчика положения ротора, управляет данным процессом.
Структура ВИД ничем не отличается от классической системы регулируемого электропривода Именно поэтому он и обладает всеми ее свойствами. Однако в отличие от регулируемого электропривода, например с асинхронным двигателем, ИМ в ВИД не является самодостаточной. Это означает, что она принципиально не способна работать без преобразователя частоты и системы управления. Преобразователь частоты и система управления являются неотъемлемыми частями ИМ, необходимыми для осуществления электромеханического преобразования энергии.
Индукторная машина, входящая в состав ВИД, может иметь различные конструктивные исполнения. На рис. 2 приведено поперечное сечение четырехфазной ИМ конфигурации 8/6. При обозначении конфигурации ИМ первая цифра указывает число зубцов статора, вторая — ротора.
Индукторные машины имеют следующие конструктивные особенности:
сердечники статора и ротора имеют явнополюсную структуру; число полюсов относительно невелико (число полюсов статора больше числа полюсов ротора);
сердечники статора и ротора выполняются шихтованными; обмотка статора сосредоточенная катушечная. Она может быть одно- или многофазной;

Рис. 2. Поперечное сечение четырехфазной ИМ конфигурации 8/6
фаза ИМ (см. рис. 2) состоит из двух катушек, расположенных на диаметрально противоположных полюсах статора Известны ИМ с удвоенным числом полюсов статора и ротора. Электрические машины в четырехфазном исполнении имеют конфигурацию 16/12. Фаза такой ИМ состоит из двух пар катушек, расположенных на полюсах статора таким образом, что их оси сдвинуты на электрический угол 90°;
катушки фазы могут быть соединены параллельно или последовательно; согласно или встречно;
обмотка на роторе ИМ отсутствует.
Принцип действия ИМ основан на свойстве ферромагнитных тел (в данном случае ротора) ориентироваться во внешнем поле (здесь статора) так, чтобы сцепленный с ним магнитный поток оказался максимальным.
Предположим, что при взаимном положении статора и ротора (рис. 3, а) по сигналу системы управления к фазе А от преобразователя частоты будет приложено напряжение, по катушкам фазы А потечет ток, создающий МДС фазы А. В магнитном поле фазы А ротор стремится двигаться таким образом, чтобы магнитный поток через него принял максимальное значение, т.е. стремится повернуться против часовой стрелки. Вращающий момент ротора будет действовать до совпадения осей зубцов 2 и 5 ротора с осями зубцов фазы А статора. В этом же положении питание будет подано на фазу что вызовет повторение процесса при сохранении направления движения ротора и т.д. Для сохранения направления действия электромагнитного момента необходимо еще до достижения положения ротора по рис. 3, б осуществить коммутацию ключей преобразователя частоты, в результате которой фаза А должна быть отсоединена от источника питания, а следующая фаза (здесь это фаза В) подключена к нему. Зубцы ротора 2 и 5 в момент прекращения питания фазы А еще не будут находиться соосно с зубцами фазы А, в положении, которое можно назвать согласованным с фазой А. В этом случае значение тока 258 в отключаемой фазе А оказывается минимальным, как и накопленная в ней магнитная энергия, расходуемая на поддержание постоянства потокосцепления фазы. В целях подавления возникающей при этом ЭДС самоиндукции и ускорения гашения поля в фазе ВИД на нее подается напряжение обратной полярности.
Последовательная коммутация фаз ВИД обеспечивает однонаправленное вращение ротора двигателя; чередование включения и выключения фаз определяется алгоритмом, заложенным в систему управления. Исходными данными для ее работы являются сигналы о положении ротора, поступающие от датчика положения ротора, что исключает возможность неправильной коммутации фаз.
В описанном примере на фазы обмотки статора напряжение подается последовательно, т.е. А—В—C—D—А ..., и в каждый момент времени включена только одна фаза. Такой вид коммутации называется одиночной симметричной. Она является наиболее простой. Кроме нее в ВИД возможна парная симметричная коммутация и несимметричная коммутация фаз.
Коммутация фаз ВИД, при которой в каждый момент времени включены две фазы двигателя {АВ—ВС—CD—DA—АВ ...), называется парной симметричной.
Коммутация фаз ВИД, при которой попеременно включаются то одна, то две фазы двигателя (А—АВ—В—ВС—C—CD—D—DA—A ...), называется несимметричной.
Как следует из рис. 3, если переключение фаз при одиночной симметричной коммутации происходит по часовой стрелке, то вращение ротора осуществляется против часовой стрелки. Это дает основание интерпретировать принцип действия ВИД как редукторного двигателя, работающего на обратно вращающейся гармонической поля с частотой вращения
n=fl/ZR,
т.е. пропорциональной частоте питания обмотка статора/, и обратно пропорциональной числу зубцов ротора ZR Некоторые примеры зависимости частоты вращения (в об/мин) для ВИД с числом фаз т, чисел зубцов статора Zs и ротора ZR для случаев симметричной одиночной, симметричной парной и несимметричной коммутаций даны в табл. .
При подаче постоянного напряжения от преобразователя частоты на обмотку статора ВИД кривые токов фаз оказываются несинусоидальными и зависящими от угла включения (рис. 4).
Таблица. Зависимость частоты вращения ВИД от вариантов конфигурации
магнитной системы ИМ

Окончание табл.

Рис. 4. Формы кривых токов обмоток ВИД для разных углов включения при небольшой частоте вращения
Для небольших частот вращения в кривых токов четко прослеживаются три зоны: нарастание тока, замедление нарастания тока при возрастании ЭДС катушек статора и спадание тока при подаче обратного напряжения. На рисунке возрастающие номера кривых соответствуют все более позднему включению фазы.

При высоких скоростях вращения используется регулирование изменением углов включения и коммутации напряжения, т.е. так называемое «фазовое» регулирование. При сравнительно низких скоростях, когда индуктивные сопротивления обмоток и индуктируемая ЭДС и противоЭДС существенно падают, для ограничения тока и развиваемого момента прибегают к широтно- импульсному (ШИМ) регулированию тока фаз.
Токи фаз ВИД резко несинусоидальны, что является дополнительным обстоятельством, препятствующим применению к ВИД традиционной теории реактивных машин, опирающейся на базу гармонических представлений. В данных условиях теряют смысл обычные определения коэффициента мощности, активной и реактивной энергии, индуктивных сопротивлений обмоток по продольной и поперечной осям бегущего гармонического поля. Наиболее подходящим является метод анализа на основе мгновенных значений токов, напряжений, ЭДС, магнитных потоков и потокосцеплений обмоток, а также усилий, действующих на зубцы ВИД.