Вентильные двигатели

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вентильные двигатели

1. Определение и функциональная схема ВД

Вентильные двигатели (ВД) считаются в настоящее время наиболее перспективными электромеханическими преобразователями.

В иностранной литературе двигатели такого типа называются "brushlessDC-Motor" - BLDC.

Определение ВД тесно связано с базовой функциональной схемой ВД (рис.1).

Рис.1. Базовая функциональная схема ВД

Можно выделить четыре основных элемента ВД

1) Электромеханический преобразователь (электрическая машина ЭМ).

2) Инвертор, выполняющий функции коммутатора, подключающий и отключающий фазы электродвигателя от источника питания по определенному алгоритму. Отдельно выделена в виде блока силовая часть - К.

3) Датчик положения ротора ДПР (может отсутствовать как отдельный элемент ВД в том случае, если положение ротора определяется по кривой ЭДС).

4) Система управления ключами инвертора СУ, обрабатывающая сигналы, поступающие с датчика положения ротора и других датчиков.

Определение

Вентильный двигатель представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электрической машины ЭМ и полупроводникового коммутатора фазных обмоток К, управление ключами которого производится системой управления СУ в зависимости от положения ротора.

Информация о положении ротора может быть получена с помощью явновыраженного датчика положения ротора ДПР или программным способом после обработки сигналов ЭДС рабочей обмотки.

2. Особенности ВД

2.1 Общие особенности

1) Наличие инвертора

2) Наличие позиционной (то есть по положению) обратной связи.

3) Говоря "АД", "ДПТ" мы подразумеваем, как правило, электрическую машину, определенного типа, работающую в двигательном режиме. В понятие "ВД" входит совокупность ЭМ, инвертора и, в большинстве случаев, явновыраженный ДПР. По существу ВД является электроприводом (см. определение в п.1.3).

2.2 Сходство и отличие между ВД и синхронными двигателями

Сходство.

1) Пропорциональность между частотой вращения ротора ВД и частотой вращения магнитного поля статора.

2) В обоих типах двигателей могут использоваться синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов или индукторные машины с ОВ (называются при этом не синхронные двигатели, а вентильные двигатели на базе синхронной машины).

Отличие.

1) У синхронного двигателя частота коммутации ключей задается исходя из желаемой частоты вращения.

2) У синхронного двигателя частота вращения ротора n определяется частотой питающего напряжения f1 (n=60f1/p), а у вентильного двигателя, напротив, частота вращения поля статора определяется частотой вращения ротора (f1=pn/60), которая, в свою очередь, зависит:

- от напряжения питания и других величин, определяющих положение механической характеристики;

- от момента сопротивления.

Другими словами особенностью ВД является самосинхронизация с помощью ДПР [6].

2.3 Сходство и отличие между ВД и коллекторными двигателями постоянного тока (КДПТ)

Сходство.

Оба двигателя имеют близкие по виду характеристики.

Отличия.

1) Функции отсутствующего механического коллектора в ВД выполняет полупроводниковый коммутатор (инвертор), а функцию щеток - датчик положения ротора.

2) Рабочая обмотка у КДПТ находится на роторе, а у ВД на статоре.

3) Число фаз у ВД мало - обычно равно трем, реже четырем, шести или большему числу. Число секций у КДПТ намного больше.

Если бы ВД имел столько же фаз, чувствительных элементов ДПР и стоек транзисторов, сколько КДПТ имеет коллекторных пластин, то по своим свойствам и характеристикам они ничем бы не отличались друг от друга. Однако увеличение числа элементов сильно усложняет конструкцию машины [6]. Поэтому электромагнитный момент ВД имеет пульсации

3. Достоинства и недостатки ВД

3.1 Достоинства ВД

ВД обладают основными достоинствами КДПТ и АД и не имеют их недостатков. Часть достоинств ВД зависит от типа электрической машины, применяемой в ВД.

Перечислим достоинства ВД на базе синхронных машин с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов Nd-Fe-B [5]:

1) Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания (нет щеточно-коллекторного узла и контактных колец).

Это достоинство присуще также АД с короткозамкнутым ротором и отсутствует у КДПТ и АД с фазным ротором.

Как следствие:

1.1) Существенно повышается ресурс и надежность электропривода. Наработка на отказ составляет 10000 ч и более.

1.2) Упрощается эксплуатация двигателя.

У КДПТ изнашиваемость щеток при эксплуатации требует проверки их состояния и замены через определенное время.

1.3) Появляется возможность использования ВД во взрывоопасной и агрессивной среде [13]. Также отсутствуют все те недостатки, о которых было сказано в разделе КДПТ.

2) Вентильная коммутация тока в обмотках допускает значительное напряжение между выводами -- до нескольких тысяч вольт. Обычный механический коллектор удовлетворительно работает при напряжении между коллекторными пластинами не более 30--32 В (максимальное допустимое 37--42 В) [24].

3) Широкие возможности по регулированию выходных показателей электропривода при относительной простоте реализации системы управления.

Другими словами: Простота реализации различных видов механических характеристик, требуемых исполнительными механизмами.

Превосходит по этому качеству АД (у ВД возможно эффективное управление по напряжению), частотно-управляемый АД (у ВД более простая схема преобразователя) и ДПТ (возможность векторного управления).

3.1) Обеспечивается широкий диапазон регулирования частоты вращения (до 1:10000 и более).

3.2) Имеется возможность оптимизации режимов работы при изменении скорости и нагрузки. Это также способствует повышению ресурса электродвигателя и всего агрегата.

4) Большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно кратность максимального момента равна 5 и более).

Отсутствует у АД.

5) Высокие энергетические показатели (КПД и соsц).

5.1) КПД вентильных двигателей могут превышать 90%, Соsц ВД - более 0,95 [13].

У АД максимальный КПД составляет не более 86%.

Высокий КПД обусловлен тем, что основные электрические и магнитные потери в роторе ВД с возбуждением от постоянных магнитов отсутствуют. Также мал ток холостого хода.

Высокий соsц обеспечивается рациональным выбором угла включения фазы. А это может быть достигнуто путем соответствующей настройки датчика положения ротора или при векторном управлении.

5.2) КПД вентильного двигателя мало меняется при изменении нагрузки и при колебаниях напряжения питающей сети.

У АД КПД более существенно зависит от изменения нагрузки и напряжения питания (момент пропорционален напряжению в квадрате).

6) Два следствия п.5.

6.1) Более низкий перегрев ВД по сравнению с АД при одинаковой мощности и одинаковых размерах.

Перегрев в этом случае зависит от потерь, величина которых тем меньше, чем выше КПД и соsц.

6.1.1) Это увеличивает ресурс изоляционных материалов, а значит и срок службы электропривода в целом.

6.1.2) Это позволяет электроприводу работать в нестандартных режимах с возможными перегрузками.

6.2) Меньшие масса и габаритные размеры.

Более высокий КПД и соsц, то есть меньшие потери, позволяют для фиксированной мощности спроектировать двигатель меньших размеров по сравнению с АД. Это обеспечивается возможностью реализации более высоких значений линейной нагрузки и тех же значений индукций в воздушном зазоре (порядка 0,6-0,8 Тл) (при использовании высококоэрцитивных магнитов).

7) Следствие п.4 и п.6.2.

Высокое быстродействие; точность позиционирования [13].

Обусловлено малой массой, а значит малым моментом инерции ротора и большим пусковым моментом.

8) Минимальное значение токов холостого хода.

Отсутствует у АД, у которых он расходуется на проведение магнитного потока.

Позволяет достаточно точно измерять нагрузку на привод (пропорциональную току) и оптимизировать режим работы.

9) Линейность характеристик.

Присуще КДПТ и отсутствует у АД.

3.2 Недостатки ВД

1) В отличие от коллекторного ДПТ вентильный двигатель имеет мало секций в обмотке якоря, что приводит к наличию пульсаций в картине электромагнитного момента [6] (см.п.5.6).

Способы снижения пульсаций электромагнитного момента:

- использование многофазных ВД;

- подбор формы фазных токов [7];

- выбор рациональной геометрии зубцовой зоны;

- введение скоса пазов статора или дискретного скоса на роторе.

2) Наличие позиционной обратной связи и необходимость наличия специального датчика положения ротора.

До недавнего времени этот недостаток препятствовал широкому распространению вентильных электроприводов в оборудовании, где электродвигатель и станция управления им находятся на значительном расстоянии или в оборудовании, которое подвергается значительным механическим воздействиям вибрационного и ударного характера. В настоящее время эта проблема решается при бездатчиковом способе управления вентильными электроприводами, когда информацию о положении ротора получают из сигнала по напряжению в фазных обмотках.

3) Относительно более сложная система управления двигателем [13].

4) Высокая стоимость двигателя при использовании дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора [13].

5) Электронный блок имеет большие размеры и стоимость, по сравнению с механическим скользящим контактом [9].

Эти недостатки, а также инерционность, присущая при внедрении новой техники обусловили то, что электропривод с ВД в течение трех десятилетий пока так и не смог полностью вытеснить привод с коллекторным ДПТ во многих областях применения.

4. Принцип действия ВД

Чтобы двигатель устойчиво вращался, необходимо, чтобы он развивал однонаправленный вращающий момент с минимумом пульсаций. Минимум пульсаций момента будет способствовать плавности хода двигателя.

В обмотку якоря от источника питания подается ток. В зависимости от распределения тока по катушкам в зубцовой зоне статора образуется полюсная система статора (электромагниты), создающие магнитный поток (поле) статора.

Магнитный поток возбуждения создается либо постоянными магнитами, либо обмоткой возбуждения.

Электромагнитный момент образуется при взаимодействии магнитного потока возбуждения и фазных токов.

При совместном действии потоков возбуждения и потоков от токов статора силовые линии магнитного поля в воздушном зазоре изгибаются.

Теперь разными словами об одном и том же.

1) Деформация магнитного поля вызовет, вследствие упругих свойств силовых линий, появление силы F, которую называют силой Ампера.

F=BlI, (1)

где В - магнитная индукция в воздушном зазоре, l - длина пакета, I - ток в обмотке статора.

Вращающий электромагнитный момент будет равен тангенциальной составляющей этой силы, умноженной на плечо

М=FтRрот. (2)

2) Реализуется известный принцип: разноименные полюса притягиваются, а одноименные полюса отталкиваются.

3) Возникающий момент стремится развернуть ротор так, чтобы вектора потоков якоря и возбуждения совпали.

4) Возникающий момент будет стремиться развернуть ротор в положение максимального потокосцепления обмоток, по которым течет ток. То есть в положение, когда суммарная длина силовых линий магнитной индукции будет минимальна.

Таким образом, как и во всех двигателях переменного тока, ротор синхронно вращается вслед за вращающимся полем статора. Для вращения поля статора необходимо переключать фазные обмотки статора в такой последовательности, чтобы вектор потока статора вращался перед потоком ротора.

Чтобы знать, на какую фазу (секцию) нужно подключать к источнику питания, необходимо знать текущее положение полюсов ротора (вектора потока возбуждения) относительно осей фаз. Эта информация поступает с ДПР.

Информация с ДПР обрабатывается системой управления, и формируются сигналы управления ключами, которые и обеспечивают включание и отключение ключей и соответствующих фаз в нужной последовательности.

Таким образом, при повороте ротора происходит переключение обмоток, вектор потока статора поворачивается на следующий шаг, и ротор продолжает синхронно вращаться с полем.

5. Выражения для электромагнитного момента ВД

1) При синусоидальном распределении МДС обмоток статора Fc и потока ротора Фр момент взаимодействия каждой фазы статора и потока ротора равен векторному произведению

М = [ x I ] = [Fc x Фр] = Fc*Фр*sin г, (3)

где г - угол между векторами Fc и Фр.

Из выражения следует, что при синусоидальных распределениях МДС и потока максимальный момент достигается при угле г = 90 эл.град.

Этот угол в коллекторных ДПТ постоянен во времени и равен 90 эл.град. В ВД при согласованной работе коммутатора, управляемого ДПР, вектор Fc совершает колебания и угол между векторами Fc и Ф изменяется в пределах

90-г к< г <90+г к. (4)

Угол гк зависит от числа фаз и схемы коммутатора. Для трехфазного ВД и мостовой схемы инвертора г к=30 эл.град.

2) Общее выражение для мгновенного значения электромагнитного момента, создаваемого каждой фазой двигателя:

, (5)

где W - магнитная энергия, запасенная в электрическом контуре (обмотке) двигателя, мех - угол поворота ротора ("механический"), ш, i - мгновенные значения потокосцепления и тока соответствующей обмотки.

Мгновенное значение ЭДС вращения, индуцируемая в фазе двигателя, может быть записана в виде:

, (6)

где w - число витков в фазной обмотке

Знак минус в выражении (6) здесь условный: нельзя сравнивать направления электрического и магнитного параметра. Поставлен из следующих соображений: ЭДС, индуцируемая переменным потоком, вызывает в цепи ток, являющийся источником потока. Действие тока направлено на уменьшение причины, его вызвавшего. То есть при положительной производной потока, поток реакции якоря будет уменьшать поток, стремясь к тому, чтобы тот не менялся. И наоборот.

3) Согласно выражениям (5) и (6) мгновенное значение электромагнитного момента, создаваемого токами всех фаз, может быть записано в виде:

, (7)

где Рэм - электромагнитная мощность ВД.

Пульсация электромагнитного момента

В соответствии с выражениями (3) и (4) вследствие малого числа обмоток вектор МДС статора перемещается скачкообразно. Это приводит к изменению угла г при вращении двигателя и, как следствие, к сильной зависимости электромагнитного момента от углового положения ротора, т.е. к пульсации вращающего момента, которая неблагоприятно влияет на плавность хода двигателя [11].

Кроме того, существенное влияние на плавность хода оказывают также реактивные моменты, возникающие за счет неравномерности магнитной проводимости воздушного зазора по углу поворота ротора. В общем виде выражение для реактивного момента можно записать следующим образом [11]:

Мр=kФd/d (8)

Зависимость проводимости от угла поворота ротора, главным образом, обусловлена влиянием зубчатости статора. Для снижения пульсаций момента применяют скос пазов статора. Величина реактивных моментов существенно уменьшается в машинах беспазовой конструкции. Подобное конструктивное решение позволяет также уменьшить величину индуктивности обмотки, повышая, тем самым, линейность механических и регулировочных характеристик [11].

6. Характеристики ВД

Рис.2. Механическая характеристика ВД

По своим статическим и динамическим характеристикам ВД подобен коллекторному ДПТ.

7. Электрические машины в составе ВД

В составе ВД нашли применение, главным образом, три типа бесконтактных электрических машин:

1) Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов.

2) Индукторные машины с обмотков возбуждения (их также называют одноименнополюсные или аксиальные).

3) Синхронно-реактивные машины (вентильный двигатель на их основе называют также вентильный индукторный двигатель, что вносит путаницу в терминологии названий ВД на базе машин 2 и 3).

Принципиально возможно использовать в составе ВД и классическую синхронную машину с электромагнитным возбуждением и даже асинхронную машину. Но в первом случае теряется одно из главных преимуществ ВД - бесконтактность, а в другом случае - сложно реализовать обратную связь по положению ротора.

В ЭП ЛА наибольшее применение нашли синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов.

Используемые магниты. вентильный двигатель достоинство недостаток

В настоящее время широко используются высококоэрцитивные магниты из сплавов ниодим-железо-бор и самарий-кобальт. Ранее применялись более дешевые литые магниты, например, Альнико, которому свойственно большая остаточная индукция и малая коэрцитивная сила. Это приводило к тому, что такие магниты размагничивались на воздухе. Их необходимо было с использованием специальной оправки после намагничивания помещать в магнитную цепь или намагничивать непосредственно в магнитопроводе (что в ряде случаев технически сложно реализовать). Кроме того, у таких магнитов выше магнитная проницаемость, а следовательно, машины с ними будут иметь выше индуктивность.

8. Инверторы в составе ВД

В многофазных ВД обмотка якоря, как правило, разбивается на трехфазные группы, каждая из которых подключается на отдельный коммутатор. Многофазные ВД (как и ВД с развязанными обмотками) в составе коммутатора имеют большее количество ключей, что, однако, позволяет снизить пульсацию вращающего момента, снизить мощность на 1 ключ [10].

а) б)

Рис. 3. Схемы соединения инверторов: а) параллельная; б) последовательная

Коммутаторы по отношению к сети могут быть включены как последовательно, так и параллельно (рис. 3). При параллельном соединении ВД может питаться от низковольтного источника либо развивать максимальную мощность. Последовательное соединение выгодно при питании от высоковольтного источника для создания высокого пускового момента при ограниченном пусковом токе.

Переход с параллельного соединения на последовательное позволяет осуществить рекуперацию энергии при торможении магнитоэлектрического ВД и питании его от автономного источника питания, например, от аккумулятора [10].

Коммутаторы подразделяются на однополупериодные с нереверсивным питанием фаз (то есть ток по фазе протекает только в одном направлении) и двухполупериодные с реверсивным питанием. Последние выполняются по мостовой схеме и представляют собой инвертор (при питании от сети постоянного тока) или циклоконвертер (при питании от сети переменного тока). Однополупериодные схемы находят применение в маломощных ВД [10] и в ВД на базе СРД.

Рис. 4. Трехфазная мостовая схема инвертора

Наиболее эффективной схемой коммутатора является трехфазная мостовая схема (рис. 4). При относительной простоте коммутатора обеспечивается приемлемое значение пульсаций электромагнитного момента (равномерности вращения) и экономичность. Этот вариант является универсальным для различных случаев применения.

Мостовой трехфазный коммутатор осуществляет за период шесть коммутаций, то есть, аналогичен коллектору с шестью пластинами [17].

Отметим, что кратковременное (неск.микросекунд) открытие всех ключей в двухполупериодной схеме, которое, например, может наблюдаться при спецвоздействиях, приведет к режиму КЗ источника питания и все транзисторы могут быть разрушены. В однополупериодной схеме коммутатора индуктивность секций ОЯ не даст току за это время нарасти до недопустимого уровня [10].

Силовая часть инвертора выполняется на силовых полупроводниковых приборах:

- на транзисторах (в случае малых и средних мощностей - до десятков киловатт, до нескольких десятков ампер [4]);

- на тиристорах (для средних и больших мощностей - от десятков до тысяч киловатт. Долгое время только они и мог применяться при больших мощностях [25]);

- на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором - IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), рассчитанных на токи до нескольких килоампер, напряжение до нескольких киловольт и имеющих частоту коммутации 30 кГц и выше [26].

Транзисторы или тиристоры работают в ключевом режиме, характеризующемся двумя устойчивыми положениями - открытым для прохождения тока или закрытым. Переход из одного положения в другое происходит в зависимости от пространственного положения ротора или сигналов с других датчиков.

Для обеспечения симметричности загрузки m-фазной ОЯ, повторяемости процессов и нормальной работы ключей инвертора необходимо, чтобы фазовый сдвиг между управляющими сигналами ключей анодной (верхней) и катодной (нижней) группы инвертора был равен 2р/m, а фазовый сдвиг между управляющими сигналами ключей одной стойки был равен р [10].

Распространенными вариантами работы ключей инвертора трехфазного ВД является два:

1) 120 - градусная коммутация, то есть в пределах периода (360 градусов) каждый ключ работает 120 градусов.

2) 180-градусная (синусная коммутация).

Время открытого состояния ключа не остается неизменным в течение полупериода выходной частоты, а изменяется по синусоидальному закону (рис. 5а).

На вход компаратора подается сигнал несущей синусоиды и сигнал пилообразного напряжения. В приведенном примере, транзистор будет включен, когда значение напряжения несущей синусоиды будет превышать значение пилообразного напряжения (рис. 5а).



Рис. 5. Формирование синусоидального напряжения при ШИМе

9. Датчик положения ротора (ДПР)

В иностранной литературе - Shaft Position Sensor, Shaft Encoder [15].

ДПР является элементом позиционной обратной связи. ДПР предназначен для создания сигналов, несущих информацию об относительном положении осей полюсов ротора и осей фаз статорных обмоток двигателя. Для трехфазной обмотки эти углы равны , -120, -240, где угол определяется текущим положением ротора.

Сигнал с ДПР служит для управления подключением тех фаз электродвигателя, которые создадут максимальный момент при взаимодействии с полюсами ротора.

Датчик располагается в корпусе электромеханической части двигателя, но схемно связан с коммутатором.

9.1 Требования, предъявляемые к ДПР

1) Простота конструкции, технологичность в изготовлении, надежность в работе.

2) Должен иметь малые размеры. Размеры датчика не должны превосходить размеров щеточно-коллекторного устройства [1].

3) Потребляемая энергия должна быть малой. Потребляемая мощность не должна превосходить потерь на щетках эквивалентных коллекторных машин [1].

4) Требования к форме сигнала. Хорошее согласование сигнала датчика с входными цепями инвертора. Большая кратность максимального и минимального выходного сигнала. Большая крутизна нарастания и спада сигнала. Чем в более полной степени выполняется требование 4, тем меньше усложнений придется предусматривать в схеме управления инвертором для обеспечения надежного и экономичного режима переключения ключей [1].

5) Высокая стойкость к внешним факторам окружающей среды. ДПР должен работать во всем диапазоне воздействий, которым подвергается электродвигатель: температура, свойства среды, вибрация [4].

6) Помехоустойчивость.

9.2 Устройство ДПР

ДПР состоит из двух основных элементов:

1) Сигнального (или управляющего) элемента (СЭ).

Сигнальный элемент (СЭ) связан с ротором двигателя.

2) Чувствительного элемента (ЧЭ).

Чувствительные элементы установлены на неподвижной части машины. Число чувствительных элементов в ДПР обычно равно числу фаз обмотки якоря двигателя. К чувствительным элементам подводится питающее напряжение.

Рис. 6. Составные части ДПР

При достижении СЭ определенного углового положения он входит во взаимодействие с чувствительным элементом, то есть бесконтактно воздействует на него энергией своего физического поля (магнитного, светового, электрического - в зависимости от типа сигнального и чувствительного элемента). В ЧЭ происходит преобразование этой энергии в электрический сигнал. Этот электрический сигнал поступает в систему управления инвертором и используются для управления коммутатором ВД.

9.3 Классификация ДПР

По форме сигнала ДПР делятся на две группы:

1) дискретные;

2) аналоговые.

Дискретные ДПР выдают выходной сигнал одного уровня. Он имеет прямоугольную форму (стремятся получить такую) и имеет определенную длительность [15].

Аналоговые ДПР выдают сигнал, величина которого зависит от текущего углового положения ротора. Например, сигнал ДПР может изменяться в зависимости от угла по синусоидальному закону [15].

Также ДПР разделяются на группы по типу чувствительных элементов, преобразующих тот или иной вид энергии в изменение электрического или магнитного параметра.

В соответствии с этим признаком выделим три типа ДПР:

1) Фотоэлектрические (также их называют оптоэлектрическими и датчиками оптического типа [15]).

2) Индуктивные.

3) Гальваномагнитные.

9.4 Фотоэлектрические датчики

Используются в маломощных ВД.

Элементами фотодатчика являются:

- источник лучистой энергии (светодиод), расположенный на неподвижной части;

- приемник лучистой энергии - чувствительный элемент (фотоэлемент: фотодиод, фоторезистор, фототранзистор, фототиристор), расположенный на неподвижной части;

- модулятор потока лучистой энергии, расположенный на роторе.

Модулирование потока лучистой энергии может быть обеспечено:

-при использовании тонкого диска с отверстиями или прорезями;

-за счет покрытия облучаемой поверхности ротора отражающими и неотражающими излучение материалами.

То есть модулятор может работать на просвет, либо на отражение. Число импульсов определяет положение и скорость вращения ротора ВД.

Достоинства:

1) Источник лучистой энергии (светодиод) и приемник (фототранзистор) располагаются на неподвижной части.

2) Ротор (якорь) ДПР (в случае исполнения его в виде диска с прорезями) имеет минимальный момент инерции, что является важным при использовании ВД в качестве исполнительного двигателя [11].

3) Ротор прост по конструкции [15].

4) Ротор не создает никаких реактивных моментов, что важно для высокоточных приводов [15].

5) Датчики этого типа позволяют получить достаточно крутой фронт сигнала [15].

6) Компактность конструкции ДПР в многополюсных двигателях относительно большого диаметра. Это обеспечивается за счет расположения n чувствительных элементов на одной линии по радиусу и применения для каждого ЧЭ своей прорези на экране-якоре. Эти прорези должны иметь угловое смещение относительно друг друга, равное угловому сдвигу чувствительных элементов обычного датчика [15].

Недостатки:

1) невысокий КПД из-за двойного преобразования энергии (электрической в световую и обратно) [9].

2) низкий уровень выходного сигнала [15].

3) малая чувствительность, обуславливающая необходимость фокусировки луча с помощью оптических линз [9].

4) слабая помехозащищенность, вынуждающая применять специальные меры устранения размытости фронта сигнала; влияние других источников излучения [9].

5) ненадежность из-за возможности загрязнения поверхности элементов [15].

9.5 Индуктивные датчики

Принцип действия индуктивных датчиков основан на изменении индуктивного сопротивления:

xL=L=Gw2, (9)

где =2рf, L - индуктивность обмотки датчика, G - магнитная проводимость контура замыкания магнитного потока, w - число витков обмотки индуктивного датчика.

По виду ЧЭ разделяются на:

- дроссельные.

- трансформаторные.

Рассмотрим один вариант построения дроссельного индуктивного датчика, показывающий принцип действия датчиков такого типа (рис. 7).

Рис. 7. Схема индуктивного ДПР [15]

Основные элементы датчика:

- дроссель насыщения, представляющий собой кольцевой сердечник с обмоткой, расположенный на неподвижной части двигателя [15].

В качестве сердечников ЧЭ применяются, как правило, ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса [11].

Обмотка чувствительного элемента запитывается переменным напряжением повышенной частоты (30-60 кГц), получаемым с выхода вторичного источника питания. Выпрямленный ток обмотки является током управления для тразистора, в цепь которого включена нагрузка. На цепочку коллекторно-эмиттерный переход транзистора - нагрузка подано постоянное напряжение [15].

- постоянные магниты, представляющие собой р секторов якоря ДПР, закрепленного на валу двигателя.

Когда магниты находятся от сердечника на удаленном расстоянии, он не насыщен и его обмотка обладает большим индуктивным сопротивлением (9). Ток в цепи практически отсутствует. Транзистор закрыт, выходное напряжение датчика равно нулю [15].

По мере приближения одного из постоянных магнитов по сердечнику дросселя замыкается все больший магнитный поток и сердечник насыщается. Индуктивное сопротивление обмотки существенно снизится, по цепи эмиттер-база пойдет ток и транзистор откроется [15].

Достоинства:

1) высокая надежность [11,15], простота и малая стоимость [15].

2) большая кратность выходного сигнала [11,15], что обуславливается прямоугольной петлей гистерезиса ферритов [11]. В зависимости от габаритов дросселя датчики могут выдавать значительный ток (от 10 до 100 мА), что иногда бывает достаточным для управления непосредственно силовым ключом [15].

3) достаточно крутой фронт сигнала [15].

4) относительно малые габариты [15].

5) широкий температурный диапазон и радиационная стойкость [11].

Недостаток:

1) Распределение индукции в зазоре датчика близко к трапецеидальному. Длительность фронта трапеции определяется конструкцией магнитной системы и не может быть очень малой. При положениях ротора, соответствующих фронтам, с выхода датчика снимается не прямоугольное напряжение, а серия импульсов, ширина которых зависит от величины индукции. Это значительно затрудняет выделение огибающей сигнала на входе коммутатора [11].

Указанный недостаток имеет принципиальное значение лишь при весьма малых скоростях вращения, близких к нулю [11].

2) Другой нежелательный эффект датчиков, работающих на переменном токе высокой частоты, заключается в относительно высоком уровне радиопомех [11].

3) Необходимость вынесения датчика в отдельный узел в конструкции машины [15].

4) Использование в схеме коммутатора отдельного высокочастотного генератора для питания датчика [15].

5) Для микромашин возможны затруднения конструктивного и технологического характера, так как габариты датчика могут оказаться соизмеримыми с габаритами активной части машины [15].

Основным элементом трансформаторных датчиков является трансформатор насыщения. Если магнит удален, сердечник трансформатора не насыщен, имеется трансформаторная магнитная связь между первичной и вторичной обмоткой. На выходе есть сигнал. Если магнит приближен - сердечник трансформатора насыщается, магнитная связь между обмотками трансформатора практически исчезает, на выходе сигнал пропадает [15].

Области применения

Индуктивные и трансформаторные датчики переменного тока используются в основном в двигателях большой мощности. В маломощных ВД в основном применяются ДПР постоянного тока, не создающие помех (датчики Холла, магнито- и фотодиоды) [9].

Поскольку в большинстве случаев на роторе ВД малой мощности имеется источник магнитного поля - постоянный магнит, оказалось удобным использовать гальваномагнитные ДПР [9].

9.6 Гальваномагнитные датчики (датчик Холла)

Гальваномагнитными называются явления, связанные с воздействием магнитного поля на электрические свойства проводников и полупроводников с током.

Техническое применение получили три гальваномагнитных явления [4]:

1) Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса) [4].

2) Магнитодиодный эффект

3) Эффект Холла.

Наибольшее применение нашли гальваномагнитные датчики ЭДС Холла (далее - датчики Холла). Они являются наиболее чувствительными и малогабаритными.

Принцип действия датчиков Холла основан на эффекте Холла. Эффект был открыт в 1879 году сотрудником Балтиморского университета Эдвином Холлом. Этот эффект проявляется следующим образом: если пластину из проводникового или полупроводникового материала поместить в магнитное поле с напряженностью Н и пропустить через нее ток, то в ней возникает электрическое поле в направлении, перпендикулярном векторам напряженности и тока. При этом на боковых гранях пластины возникает ЭДС Холла. Если плотность тока постоянна, то эта ЭДС пропорциональна напряженности магнитного поля, т.е. магнитному потоку [17].

Выходной сигнал датчика Холла может быть как аналоговым, так и дискретным. В последнем случае микросхема снабжается пороговым элементом (триггером Шмита).

Рассмотрим Датчик Холла, выполненный на микросхеме серии К1116КП с дискретным выходным сигналом. Ее корпус представляет собой небольшую плоскую пластинку (5*5*1,5), которая имеет три вывода: + Uп, Общий, Выход. Питание микросхемы осуществляется через выводы + Uп, Общий. Выходной сигнал снимается с выводов Общий, Выход. Для микросхем данного типа выходной сигнал представляет собой импульсы с уровнем, приблизительно равным напряжению питания. Если микросхема пронизывается в перпендикулярном направлении магнитным потоком, то выходной сигнал зависит от уровня потока.

а)	б)
Рис. 8. Входной и выходной сигнал датчика Холла (а). Передаточная характеристика микросхемы ДПР (б)

Уровень индукций срабатывания и отключения в зависимости от марки микросхемы может быть разным.

Микросхема Холла является чувствительным элементом датчика положения ротора. Как правило, число микросхем Холла выбирается равным числу фаз. Необходим еще управляющий элемент, который формировал бы магнитный поток изменяющийся в соответствии с положением ротора.

Одним из способов формирования такого потока является создание магнитной цепи ДПР, имеющей свой статор (на котором располагаются микросхемы Холла) и свой ротор. На роторе размещаются полюса, число которых строго соответствует числу основных полюсов двигателя. Разумеется, размеры этой магнитной цепи много меньше основной магнитной цепи. Она располагается на том же валу двигателя.

Другим способом расположения микросхем Холла является размещение их в пределах магнитной цепи статора и использование в качестве управляющего сигнала рабочего магнитного потока двигателя. Такое техническое решение позволяет убрать с вала двигателя якорь ДПР, что упрощает конструкцию. Особенно важным это является для сверхвысокооборотных двигателей, к роторам которых предъявляются особые требования по габаритам, массе и прочности [15].

Благоприятно сказывается на быстродействии и является возможным в силу чувствительности к направлению магнитного поля. [11].

Следует заметить, что во всех случаях, когда для получения сигналов ДПР используют поле ротора двигателя, информацию получают не о положении индуктора, а о положении результирующего поля двигателя. В маломощных ВД, в которых реакция якоря проявляется мало, это не ведет к значительным погрешностям. В мощных ВД угол нагрузки может достигать 30-40 эл.град, что приводит к изменению вида механической характеристики [10] (которая, как известно, строится при постоянном угле нагрузки).

Достоинства датчиков Холла

1) Малые размеры (собственно микросхемы - до 0,8х0,8х0,1). Благодаря этому микросхемы могут быть встроены в рабочий зазор [9].

2) Высокая чувствительность к уровню индукции (0,13-0,25Т) [9], чувствительность к направлению магнитного поля [11].

3) Хорошая помехозащищенность [9].

4) Достаточно высокая мощность выходного сигнала, обеспечивающая управление микросхемами логики [9].

5) Безинерционность, отсутствие запаздывания в канале обратной связи по положению ротора [13].

Недостатки:

1) Необходимость логической обработки выходного сигнала ДПР [9].

2) Необходимость использования многопроводного канала связи: два провода для подвода питания к микросхемам и по одному проводу для информационной электрической цепи от выхода каждой микросхемы [9].

При использовании магнито- и фотодиодов, следует учитывать, что они обладают большим внутренним сопротивлением в открытом состоянии и термонестабильны [11].

10. Бездатчиковые способы управления

В настоящее время в системах, где наличие явновыраженного ДПР приводит к снижению надежности и экономичности электропривода, применяются бездатчиковые способы управления, основанные на обработке сигналов фазных или линейных ЭДС. Причем, измерение ЭДС производится в перерывах питания (в обесточенной фазе).

Такой способ получения информации о положении ротора имеет и недостатки:

1) Не обеспечивается сигнал при неподвижном роторе.

2) Слабая помехозащищенность [9].

3) Сложная логика обработки информации, исключающая ложные срабатывания [9].

11. Система управления инвертором

Основная функция: обработка сигналов, поступающих с различных датчиков, включая датчики положения ротора, и формирование сигнала управляющего напряжения, поступающего на базы транзисторов или на управляющий электрод тиристора.

Выполняемые задачи:

1) Отсекает пологие фронты сигналов ДПР и исключает возможность перекрытия сигналов от датчиков положения разных фаз. Чтобы динамические потери в ключах были минимальны, управляющий импульс должен быть прямоугольной формы.

2) Инвертирование сигналов при реверсировании.

3) Регулирование угла включения фаз (угла опережения). Угол может регулироваться в зависимости от скорости вращения.

4) Формирование тактирующих сигналов управления коммутатором. В частности, задача может состоять в преобразовании сигнала длительностью 180 эл.гр. в сигнал длительностью 120 эл.гр. и расщеплении сигнала по каналам.

5) Модулирование тактирующего сигнала, логическое согласование сигналов ШИМ с тактирующими сигналами ДПР.

6) Усиление сигналов управления: получение сигнала, достаточного для управления ключами коммутатора.

12. Управление вентильными двигателями

Выделим следующие задачи, возникающие при управлении ВД:

1) Пуск ВД;

2) Регулирование частоты вращения (принудительный перевод ВД на работу при другой частоте вращения);

3) Стабилизация частоты вращения (автоматическое поддержание частоты вращения ВД на заданном уровне при изменении момента нагрузки или незапланированном изменении напряжения источника питания);

4) Реверсирование (изменение направления вращения);

5) Торможение ВД.

12.1 Пуск вентильного двигателя

12.1.1 Прямой пуск ВД

Прямой пуск ВД - подключение при пуске вентильного двигателя на полное напряжение.

Рассмотрим уравнение электрического равновесия ВД. Без учета падения напряжения в полупроводниковых элементах инвертора напряжение питания будет равно линейному напряжению подключенных фаз, например:

Uп=Eав+(Ia-Iв)Rф (10)

В момент пуска, когда ЭДС обмоток (E=cФn) равна нулю фазный ток

I=Uп/(2Rф) (11)

То есть ток при пуске (и на малых частотах вращения) определяется в основном значением фазного сопротивления Rф. Следует отметить, что с целью обеспечения высокого КПД при проектировании двигателя стремятся выполнить обмотку якоря с малым активным сопротивлением [22].

В итоге пусковой ток, возникающий при прямом пуске, может в 5 и более раз превышать номинальный ток двигателя [15]. Кратность тока в ВД Iп/Iном значительно превышает кратности в АД и СД [12]. Между тем для разгона двигателя в нормальных условиях обычно бывает достаточна кратность пускового момента (а следовательно и тока) 2-3 [15].

Проблемы:

1) Для того чтобы силовые ключи коммутатора смогли пропустить такой ток, необходимо проектировать их на увеличенную по сравнению с номинальным режимом мощность. Это приводит к неоправданному увеличению габаритных размеров коммутатора и его стоимости.

2) Прямой пуск неблагоприятен для питающей сети. При запуске мощного двигателя из-за больших пусковых токов в сети падает напряжение, что нарушает работу других потребителей [18].

В каких случаях осуществляют прямой пуск:

1) Когда требуется получить максимальный пусковой момент (Мп=сФIп).

Это может быть необходимо, когда малым частотам вращения соответствует большой момент сопротивления (работа на низких температурах, использование механизмов с опорами скольжения и т.д.);

2) Когда не накладываются ограничения на величину тока источника питания.

3) Если мощность двигателя не превышает примерно 200 Вт [18].

Для большинства применений такой пуск нецелесообразен.

12.1.2 Регулируемый пуск ВД

Применяют для предотвращения токовых и тепловых перегрузок ВД.

За время пуска к фазам двигателя подается неполное напряжение. Например, напряжение за время пуска может изменяться таким образом, чтобы ток двигателя не превышал (был равен) предельно допустимому значению (току ограничения):

Iдоп = (U-cФn)/ Rф (12)

Пример реализации регулируемого пуска см. в п.5.12.2.

12.2 Регулирование и стабилизация частоты вращения ВД

Вентильный электродвигатель является аналогом коллекторного двигателя постоянного тока и к нему применимы все способы регулирования, применяемые при регулировании ДПТ. Большинство положений, приведенных при рассмотрении способов регулирования частоты вращения в Разделе 2. справедливы и для ВД.

На практике применяют следующие способы:

1) Регулирование и стабилизация частоты вращения путем изменения напряжения, подаваемого на фазы двигателя (якорное управление).

Самый распространенный и эффективный способ регулирования частоты вращения ВД.

ВД, как и другие двигатели, проектируется на максимальное напряжение питания. То есть напряжение можно изменять лишь в сторону уменьшения от его номинального значения и, как следствие, частота вращения при этом способе также может регулироваться только в сторону уменьшения.

Осуществляется это с помощью широтно-импульсных преобразователей (ШИП) [19].

В качестве ШИП может выступать импульсный регулятор напряжения, включенный в цепь постоянного тока (амплитудное управление) (рис.9а) или непосредственно сам инвертор (рис.9б).

а)	б)
Рис. 9. Два варианта схемы управляемого ВД

Наличие дополнительного РН усложняет реализацию. Поэтому чаще регулирование осуществляется путем воздействия на управляющие цепи коммутатора, реализуя импульсное регулирование. Схема управления инвертором при этом несколько усложняется, потери в коммутаторе возрастают [19].

Регулирующим элементом ШИП является ключ (транзистор), который с большой частотой (10-20 кГц) коммутируется (включается и выключается).

Широтно-импульсная модуляция сигнала - ШИМ.

Английский термин -- pulse width modulation - PWM [13] .

При использовании ШИМ ключ инвертора в пределах разрешенного интервала на включение по сигналу от ДПР включен не постоянно, а периодически.

В итоге формируется импульсный сигнал постоянной частоты и переменной длительностью импульса.

С помощью задания длительности импульсов можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ.

Варианты организации ШИМ.

1) Время открытого состояния ключа в каждый элементарный период одинаково. Изменение напряжения достигается изменением времени включенного состояния ключа в рамках каждого периода. Характеристикой является скважность.

Сигнал генерируется аналоговым компаратором, на отрицательный вход которого подаёся опорный сигнал в виде "пилы" или "треугольника", а на положительный -- собственно сам модулируемый непрерывный аналоговый сигнал. Частота импульсов соответствует частоте "зубъев" пилы. Ту часть периода, когда входной сигнал выше опорного, на выходе получается единица, ниже -- нуль [13].

2) Синусоидальный ШИМ (180-градусная коммутация) (Алгоритм ее формирования см. в п.5.8)

Изменение напряжения производится путем изменения амплитуды несущей синусоиды.

Частота переключения ключей инвертора при ШИМе (несущая частота) существенно выше выходной частоты инвертора (частоты модуляции), поэтому в спектре выходного напряжения кроме основной гармоники присутствуют лишь гармоники весьма высокого порядка, которые легко отфильтровываются индуктивностями двигателя [20].

При постоянной частоте коммутации изменение напряжения, подаваемого на вход инвертора (для схемы а, рис. 9), или подаваемого на фазы ВД ((для схемы б, рис. 9), производится за счет изменения времени включния ключа в пределах элементарного периода.

При этом, регулирование частоты вращения производится путем изменения ее заданного значения (соответствует Uуз), а стабилизация частоты вращения осуществляется автоматически: управляющий сигнал формируется исходя из сравнения сигнала Uуз (поддерживаемое значение частоты вращения) и текущего значения частоты вращения (обозначено Uу ()).

При пуске значение тока ограничения также задается в виде Uуз, а изменение напряжения, подаваемого на фазы, происходит по результатам сравнения этого значения с текущим значением тока (обозначено Uу (I)).

Вариант регулирования напряжения при пуске.

При превышении током в обмотке якоря заданного значения транзисторы коммутатора ВД запираются несмотря на разрешающий сигнал, поступающий с ДПР. Ток в обмотке якоря начинает уменьшаться. При снижении тока до нижнего порогового значения транзисторы вновь открываются. По мере разгона ротора ЭДС вращения увеличивается и при некоторой частоте вращения, ниже номинальной, ток становится меньше верхнего порогового уровня. С этого момента система токоограничения не влияет на коммутатор, автокоммутация продолжается по сигналам ДПР, а запуск продолжается по естественной механической характеристике [22].

Аналогично производится ограничение тока в установившихся режимах при работе на малых скоростях вращения.

2) Регулирование частоты вращения путем изменения потока (полюсное управление) для двигателей с электромагнитным возбуждением.

ВД, как и другие двигатели, проектируется на максимальный магнитный поток в номинальном режиме. То есть магнитный поток можно изменять лишь в сторону уменьшения от номинального значения и, как следствие, частота вращения при этом способе может регулироваться только в сторону увеличения. При этом двигатель не должен работать при мощности выше номинальной (то есть при увеличенной частоте вращения двигатель сможет работать лишь при неполном моменте нагрузки [19]: М=Pном/.

3) Регулирование частоты вращения путем изменения угла включения фазы.

Теоретически в коллекторном ДПТ этот способ мог бы быть реализован путем изменения положения щеток. Практически это осуществить затруднительно и потому для коллекторных ДПТ такой способ не используется.

Определение угла включения фазы

Определим угол включения фазы через осциллограммы фазной ЭДС и фазного тока (рис.10).



Рис. 10. Картины ЭДС и тока для фазы А при 120-градусной коммутации

В соответствии с (6) значение ЭДС определяется магнитным потоком, а значит положением полюсов (ротора) ВД.

Момент начала протекания тока соответствует включению ключа инвертора, подключающего эту фазу к источнику питания. Это подключение может быть осуществлено при различном положении ротора.

За угол включения фазы будем принимать угол, отмеряемый от начала положительного полупериода ЭДС до начала протекания в этой фазе тока (откладывается в сторону поворота ротора).

Нейтральной коммутацией при управлении ВД называют случай, когда при 120-градусной коммутации угол включения фазы равен 30 градусов (рис.10) В этом случае в момент включения и выключения фазы значение ЭДС холостого хода одинаково.

В литературе встречается понятие "угол опережения" (обозначим его в0). Этот угол отсчитывается от положения нейтральной коммутации в сторону, противоположную повороту ротора.

При изменении угла включения фазы изменя

Можно изменять момент начала питания фазы относительно кривой ЭДС.

Взаимное положение кривых ЭДС холостого хода и фазного тока в разных источниках характеризуется разными углами. Мы отметим два варианта: угол между началом положительного полупериода ЭДС и тока и так называемый угол опережения включения катушек на статоре по отношению к положению ротора. Этот угол отсчитывается от нейтральной коммутации в сторону более ранних времен (рис.10).

12.3 Пример управления ВД комбинированными способами

При необходимости реализации большого диапазона регулирования частоты вращения или при необходимости стабилизации частоты вращения в большом диапазоне изменения момента нагрузки применяют комбинированные способы управления, основанные на использовании двух (а то и трех) способов, перечисленных в п.5.12.2.

Два примера.

1) Двухзонное регулирование напряжением питания и магнитным потоком (для ВД с электромагнитным возбуждением) (см.раздел 2).

2) Управление ВД изменением напряжения, подаваемого на фазы двигателя и изменением угла включения фазы.

При возрастании момента на валу двигателя скорость можно поддерживать постоянной за счет увеличения напряжения. При U=Uмакс дальнейшее увеличение момента приведет к уменьшению скорости вращения. В этом случае можно использовать дополнительный канал управления моментом - за счет изменения угла включения фазы (угла опережения).

Уменьшение угла включения фазы (увеличение угла опережения) приведет к изменению положения механической характеристики и обеспечению возможности регулирования или стабилизации скорости (рис.11).

Регулирование будет тем глубже, чем меньше момент нагрузки на валу двигателя.

Стоит заметить, что введение отрицательных углов включения фазы (больших углов опережения) сопряжен с увеличением потерь и ухудшением КПД двигателя.

Пример схемы ВД при совместном управлении по напряжению и углу включению фазы приведен на рис.12.

Рис.11. Механические характеристики ВД при различных углавх опережения [15]

Рис.12. Пример структурной схемы управляемого ВД [15]

Как только сигнал на выходе регулятора тока РТ достигает своего максимума Uмакс, а его дальнейшее увеличение будет невозможно из-за наличия "зоны насыщения", сигнал на выходе системы управления также достигнет своего предельного значения. При управлении в режиме широтно-импульсного регулирования это будет означать, что ключи работают со скважностью 1.

В этом случае сигнал Uмакс, соответствующий выходу регулятора РТ в зону насыщения подается на пороговый орган ПО1, который дает разрешение на вступление в работу регулятора угла включения, который начинает уменьшать этот угол (увеличивать угол опережения), за счет чего увеличивается момент двигателя и обеспечивается поддержание заданного уровня скорости.

В зависимости от того, какой сигнал при установившемся процессе меняется - Щз или Щ - речь идет о регулировании скорости или о стабилизации скорости.

12.3 Векторное управление ВД [22]

В современном вентильном электроприводе используются алгоритмы векторного управления.

Идея векторного управления для ВД состоит в следующем:

1) формирование синусоидального тока

2) разложение синусоидального тока на две составляющих:

- проекция вектора тока на продольную ось - ось полюса (direct axis) - Id; отвечает за создание потока (потокосоставляющий ток); эта составляющая тока аналогична току возбуждения ДПТ.

- проекция вектора тока на поперечную ось (quadrature axis) - Iq; отвечает за создание момента (моментосоставляющий ток); эта составляющая тока аналогична току якоря ДПТ.

3) управление отдельными составляющими тока

Алгоритмы векторного управления широко используются в асинхронном электроприводе и вентильных двигателях.

В отличие от АЭП, в вентильном двигателе на базе СМПМ и ИМ с ОВ поток создается системой возбуждения. Поэтому управление по току Id может проводиться двумя способами:

1) эта составляющая поддерживается на нулевом уровне;

2) либо изменяется (с целью ослабления поля возбуждения). Цель: а) оптимизация процесса электромеханического преобразования энергии; б) осуществление регулирование частоты вращения СДПМ выше основной с постоянством мощности (как при двухзонном регулировании).

Управление током Iq производится таким образом, чтобы получить необходимые значения момента и частоты вращения.

12.4 Реверсирование ВД [15]

Для изменения направления вращения ВД необходимо изменить знак создаваемого двигателем электромагнитного момента.