Вентильный электродвигатель
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Вентильный электродвигатель — тип синхронной машины, реализованный в замкнутой системе с использованием датчика положения ротора, системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя. Часто их также называют бесконтактными двигателями постоянного тока или обращенной машиной постоянного тока.
Содержание |
[править] Описание ВД
Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств двигателей постоянного тока.
В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре. Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор.
Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, наоборот, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора, а частота вращения ротора зависит от напряжения питания.
[править] Статор
Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Обычно это трехфазные, реже четырехфазные двигатели.
По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной и синусоидальной формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.
[править] Ротор
Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.
Вначале использовались ферритовые магниты для изготовления ротора. Они распространены и дешевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты редкоземельных сплавов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.
В двигателях большой мощности вместо постоянного магнита на роторе используется электромагнит. Напряжение питания к нему подается через контактные кольца установленные на роторе.
[править] Датчик положения ротора
Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора, выполняет ту же функцию, что и коллектор в двигателе постоянного тока. Его работа может быть основана на разных принципах — фотоэлектрический, индуктивный, на эффекте Холла, и т. д. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безинерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.
Фотоэлектрический датчик, в классическом виде, содержит три неподвижных фотоприемника, которые поочередно закрываются шторкой вращающейся синхронно с ротором. Это показано на рисунке. Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих напряжений, которые управляют силовыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трех обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создается вращающееся магнитное поле.
[править] Система управления ВД
Система управления содержит силовые ключи, часто тиристоры или силовые транзисторы с изолированным затвором. Из них собирается инвертор напряжения или инвертор тока. Система управления ключами обычно реализуется на основе использования микроконтроллера. Наличие микропроцессора требует большое количество вычислительных операций по управлению двигателем.
[править] Принцип работы ВД
Принцип работы ВД, основан на использовании датчика положения ротора (ДПР), преобразователя координат и силового полупроводникового преобразователя. Они совместно формируют на обмотках статора машины фазные напряжения таким образом, чтобы результирующий вектор напряжения всегда был сдвинут на угол 90° и неподвижен относительно оси магнитного поля ротора.
Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора — Ф0 поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создается вращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.
В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора, что и создает момент на валу двигателя.
В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстает от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.
[править] Управление двигателем
Скорость ВД регулируется величиной подводимого напряжения к статору. На обмотки статора необходимо последовательно подавать напряжение.
Регулирование подводимого напряжения к двигателю осуществляется с помощью силовых ключей. Кроме этого силовые ключи регулируют подводимое к двигателю напряжение, за счет чего и осуществляется изменение скорости на валу двигателя.
В отличие от щеточного электродвигателя постоянного тока, коммутация в ВД осуществляется и контролируется с помощью электроники.
Распространены системы управления, реализующие алгоритмы широтно-импульсного регулирования и широтно-импульсной модуляции при управлении ВД.
Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования скорости — у двигателей с векторным управлением. С помощью преобразователя частоты осуществляется регулирование скорости двигателя и поддержание потокосцепления в машине на заданном уровне.
Особенность регулирования электропривода с векторным управлением — контролируемые координаты, измеренные в неподвижной системе координат преобразуются к вращающейся системе, из них выделяется постоянное значение, пропорциональное составляющим векторов контролируемых параметров, по которым осуществляется формирование управляющих воздействий, далее обратный переход.
Недостатком этих систем является сложность управляющих и функциональных устройств для широкого диапазона регулирования скорости.
[править] Достоинства и недостатки ВД
В последнее время, этот тип двигателей быстро приобретает популярность, проникая во многие отрасли промышленности. Находит применение в различных сферах использования: от бытовых приборов до рельсового транспорта.
ВД с электронными системами управления часто объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.
Достоинства:
- Высокое быстродействие и динамика, точность позиционирования
- Широкий диапазон изменения частоты вращения
- Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания — бесколлекторная машина
- Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
- Большая перегрузочная способность по моменту
- Высокие энергетические показатели (КПД более 90 % и соsφ более 0,95)
- Большой срок службы, высокая надежность и повышенный ресурс работы за счет отсутствия скользящих электрических контактов
- Низкий перегрев электродвигателя, при работе в режимах с возможными перегрузками
Недостатки:
- Относительно сложная система управления двигателем
- Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора
