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.

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.