Вентильный двигатель: конструктивные особенности и принцип действия, преимущества и недостатки, количество фаз

Вентильные двигатели. Виды и устройство. Работа и применение

Электродвигатели, работающие от постоянного тока, обычно обладают более высокими экономическими и техническими характеристиками, по сравнению с двигателями переменного тока. Единственным серьезным недостатком является наличие щеточного механизма, существенно понижающего надежность всей конструкции, повышающего инерционность ротора, взрывоопасность двигателя, а также создает радиопомехи.

Поэтому были созданы бесконтактные двигатели, работающие от постоянного тока, которые получили название вентильные двигатели. Создание такого нового устройства стало возможным, благодаря появлению полупроводников. Щеточный механизм в этой конструкции заменен коммутатором на основе полупроводниковых элементов. Якорь является неподвижным элементом, а на роторе закреплены постоянные магниты.

В целом вентильные двигатели включают в себя три подсистемы:
  1. Электронную.
  2. Механическую.
  3. Электрическую.

В результате получается мехатронное устройство, которое позволяет сделать корпус более компактным, избавиться от дополнительных деталей, лишних преобразователей, а соответственно сделать весь привод механизма более надежным.

Устройство и работа

Вентильный электродвигатель представляет собой измененный вариант коллекторного мотора постоянного тока. Мотор имеет индуктор, расположенный на роторе, обмотка якоря находится на статоре. Электричество подается управляющими командами на статорные обмотки, в зависимости от угла поворота ротора, который определяется встроенными датчиками Холла.

Ротор

Основу этого элемента составляет многополюсный постоянный магнит, который может иметь разное количество пар полюсов (от 2 до 8), с чередованием полюсов. Поначалу для производства роторов применяли ферритовые магниты невысокой стоимости. Однако ферритовые магниты имеют недостаток в том, что у них низкое значение магнитной индукции.

Современные конструкции роторов оснащают магнитами, изготовленными из редкоземельных элементов. Они дают возможность получить большую магнитную индукцию, а также сделать ротор более компактным.

Статор

Вентильный электродвигатель обычно имеет статор, состоящий из 3-х обмоток, соединенных «звездой» без отвода от средней точки, и внешне похожий на статор асинхронного мотора. Существуют вентильные двигатели со статором с большим количеством обмоток, а кроме схемы «звезды» их могут соединять «треугольником». Трехфазная структура обмоток считается наиболее эффективной при наименьшем количестве обмоток.

Если сравнивать две рассмотренные схемы соединения, то схема «звезды» предполагает больший момент вращения и меньшие показатели противо-ЭДС, в отличие от схемы «треугольника». Поэтому «звезду» чаще всего применяют для получения больших крутящих моментов, а «треугольник» — больших скоростей вращения.

Датчики положения и термодатчик

Этот чувствительный элемент создает обратную связь, и определяет положение ротора. Такие датчики могут работать по разным принципам – эффекта Холла, фотоэлектрическому и т.д. Большое распространение получили фотоэлектрические и датчики Холла. Они не имеют инерционности и дают возможность работы без запаздывания при определении положения ротора.

Фотоэлектрический датчик в его стандартном виде имеет три стационарных фотоприемника. Они по очереди закрываются шторкой, которая крутится синхронно ротору. Двоичный код, поступающий от датчиков, фиксирует шесть разных положений ротора. Управляющее устройство преобразует сигналы датчиков в управляющие импульсы напряжений, которые в свою очередь управляют полупроводниковыми ключами.

В каждый рабочий такт мотора включены два силовых ключа, и к электроэнергии подключены две обмотки из трех. Якорные обмотки расположены со сдвигом 120 градусов, и соединены между собой так, что при управлении силовыми ключами образуется вращающееся магнитное поле.

Дополнительно в вентильном двигателе могут иметься термодатчик, тормозной механизм. Тахогенератор используется в случае работы мотора в режиме стабилизации скорости с большой точностью.

Термодатчик служит для предохранения обмоток от перегрева, и включает в себя несколько позисторов, соединенных друг с другом между собой последовательно. Позисторы – резисторы, сопротивление которых зависит от температуры, чем больше температура, тем выше их сопротивление.

Принцип действия

Контроллер вентильного двигателя подключает обмотки статора так, что направление магнитного поля статора всегда перпендикулярно направлению поля ротора. Благодаря широтно-импульсной модуляции контроллер управляет током, который проходит по обмоткам. В результате создается момент вращения ротора, который регулируется.

Виды
Вентильные двигатели бывают постоянного и переменного тока. Кроме того, их разделяют на виды по числу фаз:
  • Однофазные . Это наиболее простая конструкция вентильных двигателей с минимальным числом связей между электронной системой и мотором. К недостаткам однофазных двигателей относятся большие пульсации, невозможность пуска при некоторых положениях ротора. Однофазные моторы широко используются в механизмах, где необходима высокая скорость работы.
  • Двухфазные . Такие вентильные двигатели работают в механизмах, где обязательно наличие связи обмотки и статора. К недостаткам можно отнести большой момент вращения и сильные пульсации, способные привести к отрицательным последствиям.
  • Трехфазные . Эта дисковая конструкция мотора применяется для создания момента вращения, не применяя для этого большое число фаз. Этот вид моторов используется во многих отраслях промышленности, а также в бытовых условиях. Это наиболее распространенная конструкция, по сравнению с другими. Трехфазные двигатели вентильного типа, имеющие четное количество полюсов, стали хорошим вариантом для устройств, где требуется сочетание небольшой скорости и высокой мощности. Недостатками 3-фазных вентильных моторов является высокий уровень шума.
  • 4-фазные . У таких двигателей значительно уменьшен момент вращения и пульсаций. Используются они достаточно редко, так как они имеют высокую стоимость.

Вентильные двигатели применяются во многих областях производства, например, на буровых установках, в системах охлаждения на химических заводах, на нефтяных скважинах.

Основные технические особенности вентильных двигателей

Для решения задач контролируемого движения в современных прецизионных системах все чаще применяются вентильные (бесколлекторные) двигатели. Такая тенденция обусловлена преимуществами вентильных двигателей и бурным развитием вычислительных возможностей микроэлектроники. Как известно, вентильные (синхронные) двигатели обеспечивают наиболее высокие плотность длительного момента (момент в единице объема) и энергетическую эффективность по сравнению с любым другим типом двигателя.

Современный вентильный привод объединяет электрическую, механическую и электронную подсистемы в единое цельное мехатронное устройство. В рамках такого подхода удается значительно сократить габариты, избавиться от лишних преобразователей и промежуточных элементов, а значит, повысить надежность всего привода в целом.

В рамках данной статьи рассматривается принцип работы и устройство современных вентильных машин, описываются принципы управления вентильным преобразователем для коммутации с применением датчиков положения ротора, а также перечисляются особенности интегрированного исполнения вентильных двигателей.

1. Основные технические особенности вентильных двигателей

Под вентильным двигателем понимают синхронный двигатель, содержащий многофазную обмотку статора, ротор с постоянными магнитами и встроенным датчиком положения. Коммутация такого двигателя осуществляется при помощи вентильного преобразователя. Поэтому его принято называть «вентильным».

По сути, вентильный двигатель с точки зрения метода коммутации представляет собой «инвертированный» вариант коллекторной машины постоянного тока. В вентильном двигателе индуктор находится на роторе, якорная обмотка на статоре. Коммутация осуществляется путем подачи управляющего согласованного воздействия на обмотки статора в зависимости от положения ротора, определяемого с помощью интегрированных в двигатель датчиков обратной связи.

Рис. 1. Структура вентильного двигателя:
1 – задняя крышка, 2 – печатная плата датчиков, 3 – датчики Холла,
4 – втулка подшипника, 5 – подшипник, 6 – вал,
7 – магниты ротора, 8 – изолирующее кольцо, 9 – обмотка,
10 – тарельчатая пружина, 11 – промежуточная втулка, 12 – изоляция,
13 – корпус, 14 – провода.

Рассмотрим структуру вентильного двигателя на примере семейства двигателей Faulhaber (рис. 1). В данном случае в основе ротора лежит двухполюсный магнит, статора трехфазная обмотка, положение ротора определяется с помощью интегрированных в двигатель датчиков Холла. В общем случае ротор может содержать другое количество пар полюсов, а статор иметь более традиционную конструкцию, внешне сходную со статором асинхронной машины. Наиболее распространен статор с тремя обмотками, соединенными «звездой» (реже в «треугольник») без вывода средней точки. Как известно, именно трехфазная структура является наиболее эффективной при минимуме числа обмоток.

При соединении обмоток «звездой» вентильный двигатель имеет большие постоянные момента и меньшие постоянные противо­ЭДС (при соотношении ?3) по сравнению с соединением «треугольником». Поэтому соединение «звездой» используется для управления осями, требующими больших моментов, а соединение «треугольником» – для больших скоростей.

В большинстве случаев обмотки статора выполняются без насыщения, т.е. противо­ЭДС обмоток имеет синусоидальную форму. Такие двигатели зачастую называют AC brushless motor в отличие от DC brushless motor, обмотки статора которого выполняются с насыщением. Такое насыщение в DC brushless motor предназначено для снижения пульсаций тока (и соответственно момента) при применении трапецеидальной коммутации.

Но иногда термин DC brushless motor используют для двигателей с питанием через инвертор от сети постоянного тока, что не совсем корректно.

Обычно количество пар полюсов, определяемое количеством пар магнитов ротора и определяющее соотношение механического и электрического оборотов, равно 4…8. Статор может быть выполнен с железным (iron core) или безжелезным (ironless) сердечником. Конструкция статора с безжелезным сердечником обеспечивает отсутствие силы притяжения магнитов ротора и железа статорной обмотки (magnetic attraction) и зубцового эффекта (cogging), но снижает незначительно (на 10…20%) эффективность двигателя изза меньших значений постоянной момента.

Одно из самых очевидных преимуществ ротора с постоянными магнитами состоит в уменьшении диаметра ротора и, как следствие, в уменьшении момента инерции ротора. Технологически магниты могут быть встроены в ротор или расположены на его поверхности. Но пониженный момент инерции зачастую приводит к малым значениям соотношения момента инерции двигателя и приведенного к его валу момента инерции нагрузки (mismatch ratio), усложняющему настройку привода. Поэтому ряд производителей предлагает наряду со стандартным и повышенный – в 2…4 раза – момент инерции ротора.

2. Датчики положения и дополнительные устройства

В качестве датчика положения, необходимого для коммутации вентильного двигателя, могут быть использованы датчики Холла (цифровые или аналоговые), энкодер (цифровой, аналоговый или абсолютный) или резольвер.

Цифровые датчики Холла используются для наиболее распространенной – трапецеидальной коммутации вентильного двигателя. Цифровые датчики Холла могут быть выполнены также и на оптической шкале энкодера.Аналоговые датчики Холла используются для синусоидальной коммутации вентильного двигателя.

Энкодер имеет три дифференциальных канала – два канала А, В прямоугольных импульсов, сдвинутых на 90 электрических градусов, и нулевой импульс I (индекс). Резольвер представляет собой вращающийся трансформатор с обмоткой возбуждения и двумя выходными обмотками со сдвигом 90 электрических градусов.

Аналоговый энкодер имеет аналоговые sin/cos (1В между пиками peaktopeak) дифференциальные выходы.

Внешний интерполятор позволяет повысить исходное разрешение с коэффициентом умножения до 4096 .Абсолютный энкодер передает информацию по положению по синхронному последовательному интерфейсу (SSI или BiSS), протокол которого задается производителем энкодера. Одними из наиболее популярных протоколов являются Heidenhain EnDat, Tamagawa Smart Abs и Stegman Hiperface протоколы.

Кроме датчика положения дополнительно могут быть встроены: тахогенератор, термодатчик, тормоз или редуктор.

Тахогенератор применяется в случае использования вентильного двигателя в режиме регулирования/стабилизации скорости с высокой точностью.

Термодатчик для защиты обмоток от перегрева представляет собой несколько последовательно соединенных позисторов, т.е. терморезисторов с положительным температурным коэффициентом (positive temperature coefficient РТС).

3. Способы коммутации с применением датчика положения ротора

Способы коммутации вентильного двигателя различаются по типу датчика положения ротора и особенностям регулирования тока в фазах обмоток статора.

3.1. Трапецеидальная или шестишаговая (sixstep) коммутация вентильного двигателя осуществляется по цифровым датчикам Холла. Для 3х датчиков Холла, являющихся «грубым» датчиком положения ротора, возможных состояний на полный электрический оборот будет шесть, каждое из которых соответствует 60 электрическим градусам. При каждом постоянном состоянии датчиков Холла подключаются только две обмотки двигателя, а третья отключена от источника напряжения. Постоянство вектора тока в пределах ±30 электрических градусов от оптимального (создающего максимальный момент) приводит к 17% пульсациям тока.

Преимущества:

  • готовность к работе при включении питания;
  • дешевый усилитель тока;
  • управление током (моментом) аналоговым сигналом ±10В.

Недостатки:

  • пульсации тока;
  • средние показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Область применения: регулирование скорости при невысоких требованиях к эффективности и равномерности перемещения на низких скоростях.

3.2. Синусоидальная коммутация лишена недостатков трапецеидальной коммутации за счет непрерывной и плавной коммутации вектора тока. Это достигается благодаря более высокому разрешению датчика положения ротора (обычно инкрементального энкодера) по сравнению с цифровыми датчиками Холла, имеющими разрешение только 60 электрических градусов. Для стандартного двигателя с соединением фаз в «звезду» достаточно контролировать ток в двух обмотках с помощью двух регуляторов на базе ПИрегуляторов. Такой способ коммутации очень эффективен на малых и средних скоростях, но имеет ошибки на высоких скоростях. В этом случае изза ограниченного усиления ПИрегулятора при заданном напряжении постоянного напряжения (DC bus) мах скорость ограничена. Несколько повысить скорость позволяет метод сдвиг фазы (phase advance).

Читайте также:  Как сделать вечный двигатель своими руками: примеры и описания

Преимущества:

  • минимальные пульсации тока;
  • высокие показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Недостатки:

ограничение мах скорости при заданном напряжении постоянного напряжения;

управление током (моментом/силой) при помощи двух аналоговых сигналов ±10В.

Область применения: прецизионные механизмы.

3.3. Непосредственно векторный контроль тока в координатах DQ использует преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока, известными как преобразования ПаркаКларка. В отличие от синусоидальной такой способ коммутации предполагает работу ПИрегулятора с напряжениями постоянного тока, а не синусоидальными напряжениями. Это и обеспечивает качество управления током, независимое от скорости вращения двигателя.

Векторный контроль предполагает регулирование квадратичной (D) и прямой (Q) составляющих тока. Т.к. только прямая (Q) составляющая тока, перпендикулярная к полю ротора, создает момент двигателя, то задание тока подается на вход прямой (Q) составляющей тока. На вход квадратичной (D) составляющей тока подается «0» сигнал.

Преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока производятся с учетом токов фаз и положения ротора.

Векторный контроль при наличии преимуществ синусоидальной коммутации позволяет расширить диапазон скоростей вентильного двигателя за счет более полного использования напряжения постоянного тока.

Следует отметить, что для синусоидальной или векторной коммутации тока при использовании инкрементального (относительного) датчика положения ротора необходимо первоначально (т.е. при каждом включении питания) сфазировать положение ротора относительно фаз статора. Алгоритм такой начальной фазировки обычно является «встроенным».

Трапецеидальная коммутация вентильного двигателя не требует начальной фазировки благодаря использованию датчиков Холла, являющихся абсолютными датчиками положения ротора. Поэтому их иногда применяют вместе с инкрементальным датчиком положения для реализации синусоидальной или векторной коммутации тока без необходимости производить начальную фазировку. Такая конфигурация рекомендуется для механизмов, где реализация процедуры начальной фазировки затруднена, например, механизмов вертикального перемещения.

4. Интегрированное исполнение вентильных двигателей

Одной из основных перспективных тенденций в развитии современных вентильных двигателей является тяготение производителя к интеграции в единый корпус с двигателем управляющей электроники. Такое решение позволяет предлагать не разрозненный набор комплектующих приводной системы, а законченный привод в сборе. Таким образом решаются возможные проблемы совместимости различных компонент привода, а также проблема различных интерфейсов компонент приводной системы.

Рис. 2 Векторный контроль тока вентильного двигателя

Примером интегрированного привода является серия двигателей BG, предлагаемая компанией Dunkermotoren (рис. 3).

В рамках данной серии двигателей производитель предоставляет возможность заказать одну и ту же модель в различных исполнениях:

  • без интегрированной управляющей электроники,
  • с интегрированной коммутирующей электроникой (2wire),
  • с интегрированным контроллером скорости,
  • с интегрированным контроллером движения,
  • с интегрированным контроллером движения с сетевыми интерфейсами (CAN, PROFINET).

5. Преимущества использования вентильных двигателей

При разработке нового изделия разработчик часто сталкивается с проблемой выбора двигателя для решения конкретной задачи движения. Когда речь идет о построении привода средней либо малой мощности, как правило, выбор сводится к сборкам на базе коллекторных, вентильных, а также шаговых двигателей.

Рис. 3 Двигатели Dunkermotoren серии BG

К несомненным достоинствам вентильных двигателей следует отнести:

Высокий запасаемый момент:

  • Идеальное решение при высоких пиковых нагрузках
  • Хорошее ускорение при изменяющихся нагрузках

Высокий диапазон скоростей

Высокую равномерность движения

Высокую точность позиционирования благодаря возможности использования энкодеров и других датчиков обратной связи по скорости/положению.

Двигатели для специальных применений: в среде высокого вакуума, автоклавируемые, погружные с высоким классом IP защиты.

М. Сонных, Л. Ганнель
Статья опубликована в журнале «РИТМ» №10, 2010

Вентильный двигатель: конструкция, принцип работы, классификация

Постоянное совершенствование технологий и развитие точного электрооборудования приводит к созданию новых и преобразованию старых устройств. Такому совершенствованию подвергаются и электрические машины, которые неоднократно преобразовывались для получения точного позиционирования. При массовом внедрении полупроводниковых приборов появилась возможность заменить классические щетки на p-n переходы, в результате чего был создан вентильный двигатель.

Конструкция и принцип работы

Конструктивно вентильный агрегат представляет собой разновидность синхронного двигателя.

В его состав входят:

  • Ротор, как правило, из магнитного материала, реагирующий на воздействие электромагнитного поля.
  • Статор, включающий в себя фазы обмоток, намотанные в катушки станину и диэлектрическую прокладку.
  • Измерительные датчики (чаще всего Холла), позволяющие определить положение вращения вала.
  • Микропроцессорный блок, формирующий импульсы, их форму, задающие частоту вращения ротора, сравнивающий показания датчиков и подаваемого переменного тока на фазные обмотки.

Пример конструкции вентильного двигателя приведен на рисунке ниже:

Рис. 1. Конструкция вентильного двигателя

Принцип работы вентильного двигателя заключается в четком позиционировании постоянных магнитов на роторе по отношению к формируемому пику электромагнитного импульса на фазных электрических обмотках. При движении магнитов датчики воспринимают информацию об их положении в пространстве и меняют пропускную способность реактивных вентильных преобразователей, что позволяет валу вращаться дальше. Таким образом, управление вращением осуществляется без использования скользящего контакта, поэтому данная категория электрических машин относится к категории бесколлекторных электродвигателей.

Статор

Конструктивно статор мало чем отличается от классических моделей синхронных и асинхронных двигателей. Это металлический цельнолитой или наборной магнитопровод, в пазах которого укладываются фазные провода. Количество обмоток якоря определяется числом подключаемых фаз и периодичностью их чередования. Чем чаще уложены обмотки статора, тем точнее контролируется вращение вентильного электродвигателя.

Полюса статора также могут характеризоваться смещением на строго определенный угол, как и его обмотки. По количеству фаз коммутации вентильные двигатели бывают двух-, трех-, четырех- и шестифазными.

Ротор

В зависимости от конструкции ротора бесконтактные двигатели могут иметь внутрироторное и внешнероторное исполнение.

Рис. 3. Внешнероторные и внутрироторные модели

Количество пар полюсов также может отличаться, но уже без каких-либо привязок к обмоткам, как правило, этот параметр варьируется от двух до шестнадцати с парным шагом.

В более старых моделях для бесколлекторных двигателей использовались постоянные магниты из ферритовых сплавов. Которые отличались доступностью и относительно более низкой себестоимостью, но имели слишком низкие показатели индукции. Однако с постепенным развитием технологий, на смену им пришли магнитные элементы из редкоземельных металлов. Этот вариант обладает более точным позиционированием, но и стоит он дороже.

Рис. 4. Вентильный двигатель с внешним ротором

Датчик положения ротора

В синхронных электродвигателях датчик необходим для осуществления обратной связи с положением вала механического устройства. В зависимости от принципа действия могут применяться датчики:

  • Фотоэлектрического принципа действия;
  • Трансформаторного;
  • Индуктивного;
  • На эффекте Холла.

Рис. 5. Датчик положения ротора

Наиболее распространенными вариантами для практической реализации стали фотоэлектрические датчики и датчики с эффектом Холла. Они обладают большей точностью и меньше запаздывают при передаче данных в канале связи. Датчики привязываются к определенным маркерам на валу и реагируют на их прохождение.

Система управления

В состав блока управления, как правило, входит микроконтроллер и электронный ключ для подключения к двух- или трехфазным обмоткам двигателя. Микроконтроллер или микропроцессор необходим для обработки получаемых с датчиков сигналов и последующего преобразования синусоидальной коммутации в более удобную форму сигнала. Электрические преобразователи выполняется на базе полупроводниковых транзисторов, соединенных по мостовой схеме. Они производят широтно-импульсную модуляцию питающего напряжения в соответствии с заданным режимом работы.

Рис. 6. Электронный ключ вентильного двигателя

Классификация

По типу питания вентильные электрические машины подразделяются на электродвигатели постоянного и переменного тока.

По способу взаимодействия магнитного поля статора и ротора встречаются синхронные, асинхронные и индукторные аппараты.

Помимо этого, в зависимости от числа задействованных фаз они разделяются на:

  • Однофазные – представляю собой наиболее простой вариант, где используется минимум линий передачи питающего напряжения от блока управления к его обмоткам. Однако в некоторых позиция существует трудность пуска такого вентильного двигателя под нагрузкой.
  • Двухфазные – обладают хорошей связью между обмоткой и статором. Но выдают довольно сильные пульсации, которые могут привести к негативным последствиям в работе.
  • Трехфазные – наиболее распространенные варианты, способные выдать плавный пуск и нормальный режим работы вентильного двигателя. Характеризуется четным количеством обмоток и хорошими тяговыми характеристиками. К его недостаткам относят лишь чрезмерный шум во время работы.
  • Четырехфазные – характеризуются минимальными пульсациями низким пусковым моментом. Но, в сравнении с другими моделями, они имеют высокую себестоимость, из-за чего применяются редко.

Рис. 7. Четырехфазный вентильный двигатель

Технические характеристики

При выборе конкретной модели важно определить ее соответствие месту установки, поэтому важно обращать внимание на следующие характеристики вентильных двигателей:

  • номинальное напряжение – определяет питающую величину, которая должна подаваться на вентильный двигатель для получения номинального усилия;
  • потребляемая мощность – характеристика электродвигателя, показывающая величину мощности, расходуемую на работу устройства;
  • КПД – показывает соотношение полезной работы, совершаемой вентильным двигателем к израсходованной мощности;
  • мощность на валу – полезная работа электрической машины, совершаемая за счет тягового усилия;
  • номинальная частота – определяет количество оборотов в минуту, которые вентильный двигатель может совершать в номинальном режиме работы;
  • диапазон регулировки частоты – показывает, в каких пределах можно изменять частоту оборотов вала для конкретной модели;
  • номинальный крутящий момент – определяет усилие, создаваемое на валу вентильного двигателя при оптимальных параметрах работы, также в параметрах может регламентироваться пусковой и максимальный момент;
  • коэффициент нагрузки – показывает, насколько снижается эффективность электрической машины, в зависимости от подъема над уровнем моря;
  • габаритные размеры и масса вентильного двигателя.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами электрических машин, вентильный двигатель имеет ряд качественных отличий, дающих ему как выгодное, превосходство, так и определенные недостатки.

К преимуществам вентильных двигателей относят:

  • Относительно небольшая величина магнитных потерь из-за отсутствия постоянно действующего поля, как в классических синхронных и асинхронных электродвигателях.
  • Обеспечивает безопасное вращение даже с максимальной нагрузкой, в отличии от коллекторных электродвигателей.
  • За счет встроенного преобразователя частоты коммутация вентильного преобразователя обеспечивает широкий спектр скоростей вращения, которые отличаются плавным переходом от одной к последующей.
  • Хорошая динамика работы и точность позиционирования, способная создать конкуренцию шаговым двигателям.
  • Относительно большая степень надежности и длительный срок эксплуатации без обслуживания за счет отсутствия скользящего контакта, в отличии от коллекторных двигателей.
  • Может применяться во взрывоопасной среде, в отличии от электродвигателей постоянного и переменного тока со щетками.

К недостаткам вентильных агрегатов следует отнести их высокую себестоимость, наличие дополнительных элементов, усложняющих последующую эксплуатацию. Также существенным минусом считается сложность управления и задания логики перемещения рабочих органов трехфазных бесколлекторных двигателей в соответствии с меняющимися факторами производственного процесса.

Применение

Вентильные двигатели применяются во всех сферах, где требуется регулировать скорость вращения рабочего элемента. Такие синхронные приводы имеют точное позиционирование и применяются для компьютерной техники, устройств привода, винчестера, куллеров обдува и т.д.

Рис. 8. Вентильный двигатель в компьютере

Помимо этого он используется в робототехнике, строительстве спутников, летательных аппаратов. Для бытовой техники, в устройствах автомобилестроения, в медицинской сфере. Также нашел широкое применение в станочном оборудовании, горнодобывающих машинах, используется в компрессорных установках и насосных станциях.

Вентильный двигатель: устройство и принцип работы. Синхронный и асинхронный двигатель

Перевод электродвигателей с коллекторного узла управления на полупроводниковые устройства контроля позволил оптимизировать силовые агрегаты. Модернизация затронула и мощностные параметры, и конструкционные характеристики. Наиболее выраженным отличием стало уменьшение габаритов, что позволило использовать такие агрегаты в небольших по размерам приборах и установках. Типичным примером реализации бесколлекторного привода является вентильный двигатель, работающий в условиях постоянного тока. Он обеспечивает существенные технико-экономические преимущества в процессе эксплуатации, но не избавлен и от недостатков.

Конструкция и устройство двигателя

Техническая инфраструктура формируется двумя сегментами – непосредственно механикой и управляющим комплексом. С точки зрения конструкционного устройства агрегат во многом похож на традиционное наполнение электромеханических роторных двигателей. Соответственно, в состав электромотора входят ротор, статор и обмотка. Причем статор представляет собой набор из отдельных изолированных листов, выполненных из стального сплава. В процессе работы они способствуют понижению вихревых токов. В нем как раз и находится обмотка, которая может иметь разное количество фаз. Начинка элемента образована стальным сердечником, а обмотка представляет собой медные волокна. Для защиты применяется корпус, на поверхности которого также предусматриваются средства физического крепления.

Читайте также:  ИК датчик движения: особенности работы, принцип действия, использование в повседневной жизни

Что касается ротора, то он сформирован постоянными магнитами. В зависимости от модификации, он может иметь до шестнадцати пар чередующихся полюсов. Прежде для изготовления роторов применялись ферритовые магниты, что было обусловлено их ценовой доступностью. Сегодня же на первый план выходят эксплуатационные характеристики вентильного двигателя – в частности крутящий момент, который варьируется от 1 до 70 Нм. Пропускная же частота в среднем находится в пределах 2-4 тыс. оборотов. Для достижения таких показателей требуется магнит с высокой степенью индукции, поэтому производители перешли на использование редкоземельных сплавов. Такие магниты не просто дают более высокую производительность, но и обладают меньшими размерами. Отчасти и этот переход способствовал оптимизации габаритов вентильного электродвигателя. Отдельно стоит рассмотреть компоненты управляющего сегмента.

Система управления

Если электромеханическая часть состоит преимущественно из трех компонентов, в числе которых ротор, статор и несущая конструкция в виде корпуса, то управляющая инфраструктура более сегментирована – количество элементов может достигать нескольких десятков. Другое дело, что их можно поделить на виды. В единственном числе будет представлен только инвертор. Он отвечает за функции коммутации, осуществляя подключение и переключение фаз. Основные же задачи контроля с подачей сигналов выполняют датчики. Главным из них является детектор положения ротора. Кроме этого, в состав управляющего блока вводится и система регуляции сигналов. Это узел с ключами, посредством которого реализуется связь датчиков и электромеханической начинки.

Информацию о позиции ротора обрабатывает микропроцессор. Внешне интерфейс этого блока представляет собой панель управления. На приеме она работает с сигналами широтно-импульсной модуляции (ШИМ-сигнал). Если предусматривается подача низковольтных сигналов, то в управляющем блоке устанавливается и транзисторный мост. Он преобразует сигнал в силовое напряжение, которое в дальнейшем подается на электродвигатель. Наличие датчиков с системой обработки импульсов как раз и отличает управление вентильным двигателем от средств контроля щеточно-коллекторных агрегатов. Другое дело, что возможность внедрения электронной аппаратуры с датчиками допускается и в коллекторных машинах наряду с механическими системами управления.

Принцип работы

Вентильный электродвигатель в процессе работы создает индукцию магнитных полюсов через ротор. На фоне генерации электромагнитного воздействия формируется сопротивление. Иными словами, активизируется функция ротора, после чего он передает крутящий момент целевому агрегату. В условиях переменной скорости магнетизм может быть оптимизирован для более производительной работы с реверсом. Опять же, датчик положения ротора сообщает данные для регуляции в соответствии с фазами напряжения. Гибкость и оперативность настройки параметров ротора и количества фаз позволяет эффективнее регулировать работу механизма. Весь цикл демонстрирует процесс преобразования электроэнергии в физическую мощь (механическая энергия), которую вырабатывает генератор. Причем если резко отсоединить агрегат от сети, то преобразуемая в данный момент энергия будет возвращена статору.

Важным условием поддержания достаточной производительности является стабильность двигателя. Критерием оценки этой характеристики будет его плавность, достигаемая понижением пульсаций. Для этого нужно знать вектор вращения потока статора, чтобы он был синхронен с функцией ротора. Координация разных потоков вращения как раз и достигается взаимодействием датчиков и коммутатора, которым управляются вентильные двигатели. Принцип работы этой связки позволяет с высокой точностью определять, к какой фазе нужно подключать ротор, определяя также оси. В нужной последовательности панель управления через микропроцессор попеременно подключает и отключает разные фазы.

Особенности синхронных моделей

Вышеописанный принцип работы как раз иллюстрирует работу синхронного двигателя. То есть в нем реализуется взаимодействие полюсов индуктора и статорного магнитного поля. Но и в таких системах могут быть свои различия. Например, и синхронный, и асинхронный двигатель могут оснащаться электромагнитами. В случае с синхронными агрегатами такого типа ток будет направляться на ротор, минуя контакт щетка-кольцо. Постоянные же магниты применяются в двигателях, базирующихся на жестких дисках. Также существуют и обращенные конструкции. В них якорные потоки находятся на роторе, а индукция – на статоре.

Для включения синхронного двигателя требуется высокий разгон по частоте, чтобы появилась возможность подстройки вращения двух функциональных компонентов. В конструкциях, где индуктор находится на статоре, поле ротора остается неподвижным относительно якоря. И напротив, если устройство предполагает обратную конструкцию, то «ввод в синхронизацию» будет осуществляться через ожидание статора. Момент ожидания зависит от того, с какой нагрузкой работает вентильный двигатель, и какая частота является оптимальной для активизации его индуктора.

Особенности асинхронных агрегатов

В асинхронных двигателях ротор не вращается в противоположном направлении. Его нельзя назвать обратным синхронному агрегату с точки зрения взаимодействия магнитных потоков ротора и статора. И синхронный, и асинхронный двигатель предполагают следование одного поля за другим. Другое дело, что во втором случае ротор, к примеру, может быть «догоняющим». Он следует за генерацией индукционного момента.

В стандартной конструкции статор генерирует электромагнитное поле, заставляя через определенное время вращаться и ротор. Принципиальным отличием между двумя типами двигателей является и то, что индуктор не является генератором возбуждения магнитного поля ротора. Поэтому вентильный электродвигатель асинхронного типа может автономно заставлять вращаться ротор с определенной частотой от обмотки статора. Это вовсе не значит, что два механизма работают отдельно, но их функции не так тесно взаимосвязаны, как в случае с синхронными двигателями. Это же касается и скорости. Например, если в синхронном агрегате будет частота вращения на 3000 об./мин для индуктора и ротора, то асинхронный принцип работы для того же ротора может снизить эту величину до 2910 об./мин.

Вентильно-индукторный двигатель

Можно сказать, что все вентильные электромоторы являются индукторными. В той или иной степени принцип индукции закладывается в синхронный и асинхронный агрегаты. Но есть также модели, в которых индукция способствует самонамагничиванию. Иначе эту машину можно назвать самовозбуждающейся. В традиционном исполнении вентильно-индукторный двигатель этого типа имеет простую конструкцию, питается от однополярных импульсов тока и работает с теми же датчиками ротора. Однако из-за нюансов энергоснабжения его нельзя подключать напрямую к сети. В итоге требуется введение в инфраструктуру специальных преобразователей.

С другой стороны, в данной конструкции присутствуют практически все достоинства синхронных агрегатов. Самым явным из них является широкий спектр частот вращения. Например, вентильно-реактивный двигатель с возможностью самовозбуждения способен выдавать порядка 100 тыс. оборотов. Это уже быстроходные электродвигатели, для которых используются комплектующие высокой степени прочности.

Разновидности агрегатов по количеству фаз

Простейшее исполнение такого электродвигателя – это однофазные агрегаты, которые предусматривают минимальное количество контактов между электронной аппаратурой и механикой. Соответственно, отсюда вытекают и слабые места конструкции, среди которых ограничения в положении ротора и сильные пульсации. Двухфазные модели способны формировать воздушный зазор, а также при определенных условиях обеспечивать асимметрию полюсов. Опять же, такие машины грешат высокой степенью пульсации, однако их можно использовать в тех случаях, когда связка статора с обмоткой является обязательным условием. Трехфазный вентильный двигатель характеризуется сочетанием невысокой скорости, но хорошей силовой отдачей. Поэтому его чаще используют как в сборке бытовых приборов, так и в изготовлении промышленной техники. Также существуют четырех- и шестифазные модели вентильных электромоторов, но это уже сегменты специализированных установок, которые дорого стоят и обладают крупными габаритами.

Преимущества электродвигателей

Благодаря конструкционной оптимизации вентильная силовая техника обеспечивает множество эксплуатационных преимуществ. В их числе стоит отметить быстродействие, гибкость в настройке, точность определения позиции ротора (с помощью датчика), широкие возможности технической подстройки и т.д. При скромных энергозатратах можно получить высокую силовую отдачу. Что еще важно, вентильный электродвигатель задействует небольшой ресурс механического действия, а это благоприятно сказывается и на его сроке эксплуатации. Низкий уровень термического воздействия на элементную базу обуславливает отсутствие перегревов, поэтому детали лишь в редких случаях требуют замены по причине износа.

Недостатки электродвигателя

Специалисты отмечают два основных минуса таких электродвигателей. В первую очередь это сложность конструкции. Не механической части, а именно электронной основы, которая обеспечивает управление мотором. Применение микропроцессоров, датчиков, инверторов и сопутствующей электротехнической фурнитуры требует соответствующего подхода к обеспечению надежности работы компонентов системы. Таким образом, повышается и стоимость обслуживания техники. Вместе с этим, отмечается и дороговизна магнитов, на которых базируется вентильный двигатель даже в простых однофазных исполнениях. На практике пользователи стараются заменять недешевые элементы и расходники, вместе с этим упрощая и систему управления. Но такие меры сами по себе требуют определенных ресурсов, не говоря о том, что снижается эффективность двигателя.

Заключение

Концепция использования электроники в составе традиционных роторных двигателей не всегда оправдывается в процессе эксплуатации. Связано это со сферами применения такого оснащения. Чаще всего это традиционные области производства, где совсем не обязательно подключение электронных систем управления. Инновационная начинка заставляет пересматривать производственные циклы, точечно модернизируя технологические процессы. К тому же стоимость двигателя, которая варьируется от 15 до 20 тыс. руб., не добавляет привлекательности этой продукции. Обычные аналоги на контроллерах с электромеханическими реле обходятся дешевле, не говоря о том, что их легче интегрировать в процессе сборки продукции.

И все же появляются направления, в которых высоко ценится именно полупроводниковое управление с датчиками роторов. Как правило, это высокотехнологичное оборудование, выпуском которого занимаются крупные компании. Причем на выходе они предоставляют продукцию разного уровня, в том числе и для бытового применения.

Электродвигатели

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является – электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть.

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

    Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:
  • Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
  • Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя
  • Принцип работы синхронного электродвигателя

Классификация электродвигателей

Вращающийся электродвигатель
Само коммутируемыйВнешне коммутируемый
С механической коммутацией (коллекторный)С электронной коммутацией 1 (вентильный 2, 3 )Асинхронный электродвигательСинхронный электродвигатель
Переменного токаПостоянного токаПеременного тока 4Переменного тока
  • Универсальный
  • Репульсионный
  • КДПТ с обмоткой возбуждения
      Включение обмотки
    • Независимое
    • Последовательное возбуждения
    • Параллельное
    • Комбинированное
  • КДПТ с постоянными магнитами
  • БДПТ
    (Бесколлекторный двигатель + ЭП |+ ДПР)
  • ВРД
    (Реактивный двигатель с ротором с явновыраженными полюсами и сосредоточенной обмоткой статора + ЭП |+ ДПР)
  • Трехфазный
    (многофазный)
    • АДКР
    • АДФР
  • Двухфазный
    (конденсаторный)
  • Однофазный
    • с пусковой обмоткой
    • с экранированными полюсами
    • с асимметричным магнитопроводом
  • СДОВ
    (с контактными кольцами и щетками) –>
  • СДПМ 5 –>
    • СДПМВ
    • СДПМП
    • Гибридный
  • СРД
  • Гистерезисный
  • Индукторный
  • Гибридный СРД-ПМ
  • Реактивно-гистерезисный
  • Шаговый 5
Простая электроникаВыпрямители,
транзисторы
Более сложная
электроника
Сложная электроника (ЧП)
  1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, – датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
  2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
  3. Вентильный электродвигатель постоянного тока – электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
  4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
  5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.
  • КДПТ – коллекторный двигатель постоянного тока
  • БДПТ – бесколлекторный двигатель постоянного тока
  • ЭП – электрический преобразователь
  • ДПР – датчик положения ротора
  • ВРД – вентильный реактивный двигатель
  • АДКР – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
  • АДФР – асинхронный двигатель с фазным ротором
  • СДОВ – синхронный двигатель с обмоткой возбуждения
Читайте также:  Как соединить провода в распределительной коробке: способы соединения проводников согласно ПУЭ

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина – вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина – вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

Cинхронный электродвигатель

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) – векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

  • где M – вращающий момент, Нм,
  • F – сила, Н,
  • r – радиус-вектор, м

,

  • где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
  • nном – номинальная частота вращения, мин -1 [4]

Начальный пусковой момент – момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя – это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность – физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

  • где P – мощность, Вт,
  • A – работа, Дж,
  • t – время, с

Работа – скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

,

Для вращательного движения

,

  • где – угол, рад,

,

  • где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя – характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

  • где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
  • P1 – подведенная мощность (электрическая), Вт,
  • P2 – полезная мощность (механическая), Вт
    При этом потери в электродвигатели обусловлены:
  • электрическими потерями – в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
  • магнитными потерями – потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
  • механическими потерями – потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
  • дополнительными потерями – потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Частота вращения

  • где n – частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции – скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

  • где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
  • m – масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

  • где – угловое ускорение, с -2 [2]

,

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) – напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени – это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

  • где – постоянная времени, с

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

Параметр
АДКР

СДПМП

СДПМВ

СРД-ПМ

СДОВ
Постоянство мощности во всем диапазоне скоростей
Момент к току статора
Эффективность (КПД) во всем рабочем диапазоне
  • АДКР – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
  • СДПМП – синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
  • СДПМВ – синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами
  • СРД-ПМ – синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами (синхронный гибридный двигатель)
  • СДОВ – синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

В соответствии с выше приведенными показателями гибридный синхронный электродвигатель, а именно синхронный реактивный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами, является наиболее подходящим для применения в качестве тягового электродвигателя в автомобилестроении (выбор проводился для концепта автомобилей BMW i3 & BMW i8). Использование реактивного момента обеспечивает высокую мощность в верхнем диапазоне скоростей. Более того такой двигатель обеспечивает очень высокую эффективность (КПД) в широком рабочем диапазоне [7].

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии [6].

Вентильный двигатель

Машины постоянного тока, как правило, имеют более высокие технико-экономические показатели (линейность характеристик, высокий КПД, малые габариты и пр.), чем машины переменного тока. Существенный недостаток — наличие щеточного аппарата, который снижает надежность, увеличивает момент инерции, создает радиопомехи, взрывоопасность и т.д. Поэтому, естественно, актуальна задача создания бесконтактного (бесколлекторного) двигателя постоянного тока.

Решение этой задачи оказалось возможным с появлением полупроводниковых приборов. В бесконтактном двигателе постоянного тока, именуемом вентильным двигателем постоянного тока , щеточный аппарат заменен полупроводниковым коммутатором, якорь неподвижен, ротор представляет собой постоянный магнит.

Принцип работы вентильного двигателя

Под вентильным двигателем понимают систему регулируемого электропривода, состоящую из электродвигателя переменного тока, конструктивно подобного синхронной машине, вентильного преобразователя и устройств управления, обеспечивающих коммутацию цепей обмоток электродвигателя в зависимости от положения ротора двигателя. В этом смысле вентильный двигатель подобен двигателю постоянного тока, в котором посредством коллекторного коммутатора подключается тот виток обмотки якоря, который находится под полюсами возбуждения.

Вентильный двигатель постоянного тока представляет собой сложное электромеханическое устройство, в котором сочетаются простейшая электрическая машина и электронная система управления.

Двигателям постоянного тока присущи серьезные недостатки, обусловленные, главным образом, наличием щеточно-коллекторного аппарата:

1. Недостаточная надежность коллекторного аппарата, необходимость его периодического обслуживания.

2. Ограниченные величины напряжения на якоре и, следовательно, мощности двигателей постоянного тока, что ограничивает их применение для высокоскоростных приводов большой мощности.

3. Ограниченная перегрузочная способность двигателей постоянного тока, ограничение темпа изменения тока якоря, что существенно для высокодинамичных электроприводов.

В вентильном двигателе указанные недостатки не проявляются, поскольку здесь щеточно-коллекторный коммутатор заменен бесконтактным коммутатором, выполненным на тиристорах (для приводов большой мощности) или на транзисторах (для приводов мощностью до 200кВт). Исходя из этого, вентильный двигатель, который конструктивно выполняется на базе синхронной машины, часто называют бесконтактным двигателем постоянного тока.

По управляемости вентильный двигатель также подобен двигателю постоянного тока – его скорость регулируется изменением величины подводимого постоянного напряжения. Благодаря своим хорошим регулировочным качествам вентильные двигатели получили широкое применение для привода различных роботов, металлорежущих станков, промышленных машин и механизмов.

Электропривод по системе транзисторный коммутатор-вентильный двигатель с постоянными магнитами

Вентильный двигатель рассматриваемого типа выполнен на базе трехфазной синхронной машины с постоянными магнитами на роторе. Трехфазные обмотки статора питаются постоянным током, подаваемым поочередно в две последовательно соединенные фазные обмотки. Переключение обмоток производится транзисторным коммутатором, выполненным по трехфазной мостовой схеме. Транзисторные ключи открываются и закрываются в зависимости от положения ротора двигателя. Схема вентильного двигателя представлена на рис.1.

Рис.1. Схема вентильного двигателя с транзисторным коммутатором

Момент, создаваемый двигателем, определяется взаимодействием двух потоков:

• статора, создаваемого током в обмотках статора,

• ротора, создаваемого высокоэнергетическими постоянными магнитами (на основе сплавов самарий-кобальт и других).

где: θ – пространственный угол между векторами потоков статора и ротора; рп – число пар полюсов.

Магнитный поток статора стремится повернуть ротор с постоянными магнитами, так, чтобы поток ротора совпал по направлению с потоком статора (вспомним магнитную стрелку, компаса).

Наибольший момент, создаваемый на валу ротора, будет при угле между векторами потоков равным π/2 и будет уменьшаться до нуля по мере сближения векторов потоков. Эта зависимость показана на рис.2.

Рассмотрим пространственную диаграмму векторов потоков, соответствующую двигательному режиму (при числе пар полюсов pn=1). Предположим, что в данный момент включены транзисторы VT3 и VT2, (см. схему рис.1). Тогда ток проходит через обмотку фазы В и в обратном направлении через обмотку фазы А. Результирующий вектор м.д.с. статора будет занимать в пространстве положение F3 (см.рис.3).

Если ротор занимает в этот момент положение, показанное на рис.4., то двигатель будет развивать в соответствии с 1 максимальный момент, под действием которого ротор будет поворачиваться по часовой стрелке. По мере уменьшения угла θ момент будет уменьшаться. Когда ротор повернется на 30° необходимо в соответствии с графиком на рис.2. переключить ток в фазах двигателя, так, чтобы результирующий вектор м.д.с. статора занял положение F4 (см. рис.3). Для этого нужно отключить транзистор VT3 и включить транзистор VT5.

Переключение фаз выполняет транзисторный коммутатор VT1-VT6, управляемый от датчика положения ротора DR; при этом угол θ поддерживается в пределах 90°±30°, что соответствует максимальному значению момента с наименьшими пульсациями. При рn=1 за один оборот ротора должно быть произведено шесть переключений, благодаря которым м.д.с. статора совершит полный оборот (см. рис.3). При числе пар полюсов больше единицы поворот вектора м.д.с. статора, а, следовательно, и ротора, составит 360/рn градусов.

Рис.2. Зависимость момента двигателя от угла между векторами потоков статора и ротора (при рn=1)

Рис.3. Пространственная диаграмма м.д.с. статора при переключении фаз вентильного двигателя

Рис.4. Пространственная диаграмма потоков в двигательном режиме

Регулирование величины момента производится изменением величины м.д.с. статора, т.е. изменением средней величины тока в обмотках статора

где: R1 – сопротивление обмотки статора.

Поскольку поток двигателя постоянен, то э.д.с. Ея, наводимая в двух последовательно включенных обмотках статора будет пропорциональна скорости ротора. Уравнение электрического равновесия для цепей статора будет

При отключении ключей ток в обмотках статора мгновенно не исчезает, а замыкается через обратные диоды и фильтровый конденсатор С.

Следовательно, регулируя напряжение питания двигателя U1, можно регулировать величину тока статора и момента двигателя

Нетрудно заметить, что полученные выражения подобны аналогичным выражениям для двигателя постоянного тока, вследствие чего механические характеристики вентильного двигателя в данной схеме подобны характеристикам двигателя постоянного тока независимого возбуждения при Ф=const.

Изменение напряжения питания вентильного двигателя в рассматриваемой схеме производится методом широтно-импульсного регулирования. Изменяя скважность импульсов транзисторов VT1-VT6 в периоды их включенного состояния, можно регулировать среднюю величину напряжения, подаваемого на обмотки статора двигателя.

Для осуществления режима торможения алгоритм работы транзисторного коммутатора должен быть изменен таким образом, чтобы вектор м.д.с. статора отставал от вектора потока ротора. Тогда момент двигателя станет отрицательным. Поскольку на входе преобразователя установлен неуправляемый выпрямитель, то рекуперация энергии торможения в данной схеме невозможна.

При торможении происходит подзаряд конденсатора фильтра С. Ограничение напряжения на конденсаторах осуществляется путем подключения разрядного сопротивления через транзистор VT7. Таким образом, энергия торможения рассеивается в разрядном сопротивлении.

Добавить комментарий