Управление вентильным электродвигателем

Слово «вентильный» в названии двигателя происходит от слова «вентиль», обозначающего полупроводниковый ключ. Таким образом, привод в принципе можно назвать вентильным, если режим его работы регулируется специальным преобразователем на управляемых полупроводниковых ключах.

Непосредственно вентильный привод представляет собой электромеханическую систему, состоящую из синхронной машины с постоянными магнитами на роторе и электронного коммутатора (при помощи которого питаются обмотки статора) с системой автоматического управления на базе датчиков.

В тех многочисленных областях техники, где раньше традиционно устанавливали асинхронные двигатели или машины постоянного тока, сегодня часто можно встретить именно вентильные двигатели, поскольку магнитные материалы дешевеют, а база силовой полупроводниковой электроники и систем управления очень быстро развивается.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе отличаются рядом преимуществ:

нет щеточно-коллекторного узла, поэтому ресурс двигателя больше, а надежность его выше, чем у машин со скользящими контактами, к тому же диапазон рабочих скоростей выше;

широкий диапазон питающих напряжений обмоток; допускается значительная перегрузка по моменту — более 5 раз;

высокая динамика момента;

возможна регулировка скорости с сохранением момента на низких скоростях или с сохранением мощности на высоких скоростях;

минимальные потери на холостом ходу;

небольшие массогабаритные характеристики.

Магниты состава «неодим-железо-бор» вполне способны создавать индукцию в зазоре порядка 0,8 Тл, то есть на уровне асинхронных машин, причем основные электромагнитные потери в таком роторе отсутствуют. Значит линейная нагрузка на ротор может быть повышена без повышения общих потерь.

Этим и обуславливается более высокая электромеханическая эффективность вентильных двигателей по сравнению с другими бесколлекторными машинами, например с асинхронными двигателями. По этой же причине вентильные двигатели занимают сегодня достойное место в каталогах ведущих зарубежных и отечественных производителей.

Управление ключами инвертора вентильного электродвигателя традиционно выполняется в функции положения его ротора. Высокие эксплуатационные характеристики, достигаемые таким образом, делают вентильный привод весьма перспективным в диапазоне малых и средних мощностей для систем автоматики, станков, роботов, манипуляторов, координатных устройств, линий обработки и сборки, систем наведения и слежения, для авиации, медицины, транспорта и т.д.

В частности, выпускаются тяговые дисковые вентильные двигатели мощностью более 100 кВт для городского электротранспорта. Здесь применяются магниты «неодим-железо-бор» с легирующими добавками, увеличивающими коэрцитивную силу и повышающими рабочую температуру магнитов до 170°С, чтобы мотор мог легко выдерживать кратковременные пятикратные перегрузки по току и по моменту.

Приводы рулевого управления подводных, наземных и летательных аппаратов, мотор-колеса, стиральные машины — много где сегодня находят полезное применение вентильные двигатели.

Вентильные двигатели бывают двух видов: постоянного тока (BLDC — brushless DC) и переменного тока (PMAC — permanent magnet AC). В двигателях постоянного тока трапециевидная ЭДС вращения в обмотках обусловлена расположением магнитов ротора и обмоток статора. В двигателях переменного тока ЭДС вращения синусоидальная. В рамках данной статьи мы поговорим об управлении вентильными двигателями очень распространенного вида — BLDC (постоянного тока).

Вентильный двигатель постоянного тока и принцип управления им BLDC моторы отличает наличие полупроводникового коммутатора, выступающего вместо щеточно-коллекторного узла, свойственного машинам постоянного тока с обмоткой на статоре и с магнитным ротором.

Переключение коммутатора вентильного мотора происходит в зависимости от текущего положения ротора (в функции положения ротора). Чаще всего обмотка статора трехфазная, такая же как у асинхронного двигателя с соединением звездой, а конструкция ротора с постоянными магнитами может быть различной.

Движущий момент в BLDC образуется в результате взаимодействия магнитных потоков статора и ротора: магнитный поток статора все время стремится как бы развернуть ротор в такое положение, чтобы магнитный поток установленных на нем постоянных магнитов совпал по направлению с магнитным потоком статора.

Аналогичным образом магнитное поле Земли ориентирует стрелку компаса — оно разворачивает ее «по полю». Датчик положения ротора позволяет сохранить угол между потоками постоянным на уровне 90±30°, в таком положении вращающий момент оказывается максимальным.

Полупроводниковый коммутатор для питания обмоток статора BLDC – это управляемый полупроводниковый преобразователь с жестким алгоритмом 120° коммутации напряжений или токов трех рабочих фаз.

Пример функциональной схемы силовой части преобразователя с возможностью генераторного торможения приведен на рисунке выше. Здесь инвертор с амплитудно-импульсной модуляцией выхода выполнен на IGBT-транзисторах, причем амплитуда регулируется благодаря широтно-импульсной модуляции на промежуточном звене постоянного тока.

Вообще для данной цели используются: тиристорные преобразователи частоты с автономным инвертором напряжения или тока с управлением по питанию и транзисторные преобразователи частоты с автономным инвертором напряжения с управлением в режиме ШИМ или с релейным регулированием тока на выходе.

В итоге электромеханические характеристики двигателя получаются аналогичными традиционным машинам постоянного тока с магнитоэлектрическим или независимым возбуждением, потому системы управления BLDC и строятся по классическому принципу подчиненного регулирования координат привода постоянного тока с контурами частоты вращения ротора и тока статора.

В качестве датчика для правильной работы коммутатора может применяться емкостной либо индуктивный дискретный сенсор, согласованный с мотором по полюсам, или система на базе датчиков Холла с постоянными магнитами.

Так или иначе, наличие датчика часто усложняет конструкцию машины в целом, к тому же в некоторых применениях датчик положения ротора вообще невозможно установить. Поэтому нередко на практике прибегают к использованию «бездатчиковых» систем управления. Алгоритм «бездатчикового» управления (sensorless) основывается на анализе данных прямо с клемм преобразователя и текущей частоты ротора или питания.

Наиболее популярный «бездатчиковый» алгоритм основан на вычислении ЭДС для одной из отключенных от питания в данный момент фаз двигателя. Фиксируется переход ЭДС отключенной фазы через ноль, определяется сдвиг в 90°, вычисляется момент времени, на который должна прийтись середина следующего токового импульса. Преимущество этого способа заключается в его простоте, однако есть и недостатки: на малых скоростях определить момент перехода через ноль достаточно непросто; задержка окажется точной только при постоянной скорости вращения.

Между тем, для более точного управления применяют усложненные методы оценки положения ротора: по потокосцеплению фаз, по третьей гармонике ЭДС на обмотках, по изменениям индуктивностей фазных обмоток.

Рассмотрим пример с наблюдением за потокосцеплениями. Известно, что пульсации момента BLDC при питании двигателя прямоугольными импульсами напряжения, достигают 25%, что приводит к неравномерности вращения, создает ограничение для регулировки скорости снизу. Поэтому в фазах статора при помощи замкнутых контуров регулирования формируются токи близкие по форме к прямоугольным.

Вентильный двигатель: принцип работы и схема

Для того чтобы решать задачи по контролю современных прецизионных систем, все чаще используется вентильный двигатель. Это характеризуется большим преимуществом таких приборов, а также активным формированием вычислительных возможностей микроэлектроники. Как известно, они могут обеспечить высокую плотность длительного момента и энергоэффективности по сравнению с другими видами двигателей.

Схема вентильного двигателя

Двигатель состоит из следующих деталей:

1. Задняя часть корпуса.
2. Статор.
3. Подшипник.
4. Магнитный диск (ротор).
5. Подшипник.
6. Статор с обмоткой.
7. Передняя часть корпуса.

У вентильного двигателя имеется взаимосвязь между многофазной обмоткой статора и ротора. У них присутствуют постоянные магниты и встроенный датчик положения. Коммутация прибора реализовывается при помощи вентильного преобразователя, вследствие чего он и получил такое название.

Схема вентильного двигателя состоит из задней крышки и печатной платы датчиков, втулки подшипника, вала и самого подшипника, магнитов ротора, изолирующего кольца, обмотки, трельчатой пружины, промежуточной втулки, датчика Холла, изоляции, корпуса и проводов.

В случае соединения обмоток «звездой» устройство имеет большие постоянные моменты, поэтому такую сборку применяют для управления осями. В случае скрепления обмоток «треугольником» их можно использовать для работы с большими скоростями. Чаще всего количество пар полюсов вычисляется численностью магнитов ротора, которые помогают определить соотношение электрических и механических оборотов.

Статор может быть изготовлен с безжелезным или железным сердечником. Используя такие конструкции с первым вариантом, можно обеспечить отсутствие притяжения магнитов ротора, но и в это же мгновение снижается на 20% эффективность двигателя из-за уменьшения значения постоянного момента.

Со схемы видно, что в статоре ток образуется в обмотках, а в роторе создается при помощи высокоэнергетических постоянных магнитов.
Условные обозначения:
— VT1-VT7 — транзисторные коммуникаторы;
— A, B, C – фазы обмоток;
— M – момент двигателя;
— DR – датчик положения ротора;
— U – регулятор напряжения питания двигателя;
— S (south), N (north) – направление магнита;
— UZ – частотный преобразователь;
— BR – датчик частоты вращения;
— VD – стабилитрон;
— L – катушка индуктивности.

Схема двигателя показывает, что одним из основных преимуществ ротора, в котором установлены постоянные магниты, является уменьшение его диаметра и, как следствие, сокращение момента инерции. Такие приспособления могут быть встроенными в сам прибор или расположенными на его поверхности. Понижение этого показателя очень часто приводит к небольшим значениям баланса момента инерции самого двигателя и приведенного к его валу нагрузки, который и усложняет работу привода. По этой причине производители могут предложить стандартный и повышенный в 2-4 раза момент инерции.

Принципы работы

На сегодняшний день становится очень популярным вентильный двигатель, принцип работы которого основан на том, что контролер устройства начинает коммутировать обмотки статора. Благодаря этому вектор магнитного поля остается всегда сдвинутым на угол, приближающийся к 900 (-900) относительно ротора. Контролер рассчитан на управление током, который движется через обмотки двигателя, в том числе и величиной магнитного поля статора. Следовательно, можно регулировать момент, который воздействует на прибор. Показатель угла между векторами может определить направление вращения, которое действует на него.

Нужно учитывать, что речь идет об электрических градусах (они значительно меньше геометрических). Для примера приведем расчет вентильного двигателя с ротором, который в себе имеет 3 пары полюсов. Тогда оптимальным его углом будет 900 /3=300. Эти пары предусматривают 6 фаз обмоток коммутации, тогда получается, что вектор статора может перемещаться скачками по 600. Из этого видно, что настоящий угол между векторами обязательно будет варьироваться в пределах от 600 до 1200, начиная с вращения ротора.

Вентильный двигатель, принцип работы которого основывается на обороте фаз коммутации, из-за которых поток возбуждения поддерживается относительно постоянным движением якоря, после их взаимодействия начинает формировать вращающийся момент. Он устремляется повернуть ротор таким способом, чтобы все потоки возбуждения и якоря совпали воедино. Но во время его разворота датчик начинает переключать обмотки, и поток перемещается на следующий шаг. В этот момент результирующий вектор сдвинется, но останется полностью неподвижным сравнительно с потоком ротора, что в итоге и создаст вращающий момент вала.

Преимущества

Применяя вентильный двигатель в работе, можно отметить такие его достоинства:

— возможность применения широкого диапазона для модифицирования частоты вращения;

— высокая динамика и быстродействие;

— максимальная точность позиционирования;

— небольшие затраты на техническое обслуживание;

— устройство можно отнести к взрывозащищенным объектам;

— имеет способность переносить большие перегрузки в момент вращения;

— высокий КПД, который составляет более 90%;

— имеются скользящие электронные контакты, которые существенно увеличивают рабочий ресурс и срок службы;

— при длительной работе нет перегрева электродвигателя.

Недостатки

Несмотря на огромное количество достоинств, вентильный двигатель также имеет и недостатки в эксплуатации:
— довольно сложное управление электродвигателем;
— относительно высокая цена устройства из-за применения в его конструкции ротора, который имеет дорогостоящие постоянные магниты.

Вентильный индукторный двигатель

Вентильно-индукторный двигатель – это устройство, в котором предусмотрено переключающееся магнитное сопротивление. В нем преобразование энергии происходит за счет изменения индуктивности обмоток, которые располагаются на явно выраженных зубцах статора при передвижении зубчатого магнитного ротора. Питание устройство получает от электрического преобразователя, поочередно переключающего обмотки двигателя в строгости по перемещению ротора.

Вентильно-индукторный двигатель представляет собой комплексную сложную систему, в которой работают совместно разнообразные по своей физической природе компоненты. Для удачного проектирования таких устройств необходимы углубленные знания в области конструирования машин и механики, а также электроники, электромеханики и микропроцессорной техники.

Современное устройство выступает как электродвигатель, действующий совместно с электронным преобразователем, который изготавливается по интегральной технологии с использованием микропроцессора. Он позволяет осуществить качественное управление двигателем с наилучшими показателями переработки энергии.

Свойства двигателя

Такие устройства обладают высокой динамикой, большой перегрузочной способностью и точным позиционированием. Благодаря тому что в них отсутствуют движущие части, их использование возможно во взрывоопасной агрессивной среде. Такие моторы также называют и бесколлекторными, их основным преимуществом, по сравнению с коллекторными, является скорость, которая зависит от напряжения питания нагружающего момента. Также еще одним немаловажным свойством считается отсутствие истираемых и трущихся элементов, которые переключают контакты, благодаря чему вырастает ресурс пользования аппаратом.

Вентильные двигатели постоянного тока

Все двигатели постоянного тока можно назвать бесколлекторными. Они работают от сети с постоянным током. Щеточный узел предусмотрен для электрического объединения цепей ротора и статора. Такая деталь является самой уязвимой и достаточно сложной в обслуживании и ремонте.

Вентильный двигатель постоянного тока работает по тому же принципу, что и все синхронные устройства такого типа. Он представляет собой замкнутую систему, включающую силовой полупроводниковый преобразователь, датчик положения ротора и координатор.

Вентильные двигатели переменного тока

Такие устройства получают свое питание от сетей переменного тока. Скорость вращения ротора и движения первой гармоники магнитной силы статора полностью совпадают. Данный подтип двигателей можно использовать при высоких мощностях. К этой группе относятся шаговые и реактивные вентильные аппараты. Отличительной особенностью шаговых устройств является дискретное угловое смещение ротора при его работе. Питание обмоток формируется при помощи полупроводниковых компонентов. Управление вентильным двигателем осуществляется при последовательном смещении ротора, которое и создает переключение его питания с одних обмоток на другие. Это устройство можно разделить на одно-, трех- и многофазные, первые из которых могут содержать пусковую обмотку или фазосдвигающую цепь, а также запускаться вручную.

Принцип работы синхронного двигателя

Вентильный синхронный двигатель работает на основе взаимодействия магнитных полей ротора и статора. Схематически магнитное поле при вращении можно изобразить плюсами этих же магнитов, которые движутся со скоростью магнитного поля статора. Поле ротора также возможно изобразить как постоянный магнит, который делает обороты синхронно с полем статора. В случае отсутствия внешнего вращающего момента, который прикладывается к валу аппарата, оси полностью совпадают. Воздействующие силы притяжения проходят вдоль всей оси полюсов и могут компенсировать друг друга. Угол между ними приравнивается к нулю.

В случае если на вал машины будет воздействовать тормозной момент, то ротор перемещается в сторону с запаздыванием. Благодаря этому силы притяжения разбиваются на составляющие, которые направляются вдоль оси плюсовых показателей и перпендикулярно к оси полюсов. Если будет прикладываться внешний момент, который создает ускорение, то есть начинает действовать по направлению вращения вала, картинка по взаимодействию полей полностью изменится на обратную. Направленность углового смещения начинает трансформироваться на противоположное, и в связи с этим меняется направление тангенциальных сил и воздействие электромагнитного момента. При таком раскладе двигатель становится тормозным, а аппарат работает как генератор, который подводимую к валу механическую энергию преобразует в электрическую. Далее она перенаправляется в сеть, питающую статор.

Когда будет отсутствовать внешний, явнополюсный момент начнет принимать положение, при котором ось полюсов магнитного поля статора будет совпадать с продольной. Это размещение станет соответствовать минимальному сопротивлению потока в статоре.

В случае воздействия на вал машины тормозного момента ротор отклонится, при этом магнитное поле статора будет деформированным, так как поток стремится замкнуться по наименьшему сопротивлению. Для его определения необходимы силовые линии, направленность которых в каждой из точек будет соответствовать движению действия силы, поэтому изменение поля приведет к появлению тангенциального взаимодействия.

Рассмотрев все эти процессы в синхронных двигателях, можно выявить демонстративный принцип обратимости разнообразных машин, то есть возможность любого электрического аппарата изменить направленность преобразованной энергии на противоположную.

Бесколлекторные двигатели с постоянными магнитами

Вентильный двигатель с постоянными магнитами используется для решения серьезных оборонных и промышленных задач, так как такое устройство имеет большой запас мощности и эффективности.

Эти приборы чаще всего применяются в отраслях, где необходимы сравнительно низкие потребляющие мощности и небольшие габариты. Они могут иметь самые разные габариты, без технологических ограничений. В то же время большие аппараты не являются совершенно новыми, их чаще всего производят компании, которые стремятся преодолеть экономические трудности, ограничивающие ассортимент этих приборов. У них есть свои преимущества, среди которых можно отметить высокую эффективность из-за потерь в роторе и большую плотность мощности. Для управления бесколлекторными двигателями нужен частотно-регулируемый привод.

Анализ по затратам и результатам показывает, что устройства с постоянными магнитами намного предпочтительнее, по сравнению с другими, альтернативными технологиями. Чаще всего они используются для отраслей промышленности с достаточно тяжелым распорядком работы судовых двигателей, в военной и оборонной отрасли и других подразделениях, число которых непрерывно возрастает.

Реактивный двигатель

Вентильно-реактивный двигатель работает с использованием двухфазных обмоток, которые установлены вокруг диаметрально противоположных полюсов статора. Подача питания продвигается к ротору в соответствии с полюсами. Таким образом, его противодействие полностью сводится к минимуму.

Вентильный двигатель, своими руками созданный, обеспечивает высокоэффективную скорость привода при оптимизированном магнетизме для работы с реверсом. Информация о месторасположении ротора используется для того, чтобы управлять фазами подачи напряжения, так как это является оптимальным для достижения непрерывного и плавного крутящего момента и высокой эффективности.

Сигналы, которые выдает реактивный двигатель, накладываются на угловую ненасыщенную фазу индуктивности. Минимальное сопротивление полюса полностью соответствует максимальной индуктивности устройства.

Положительный момент можно получить только при углах, когда показатели позитивные. На небольших скоростях фазный ток обязательно должен быть ограниченным, чтобы произвести защиту электроники от высоких вольт-секунд.
Механизм преобразования можно иллюстрировать линией реактивной энергии. Мощностная сфера характеризует собой питание, которое преобразовывается в механическую энергию. В случае его резкого отключения избыточная или остаточная сила возвращается к статору. Минимальные показатели влияния магнитного поля на производительность устройства являются основным его отличием от похожих устройств.