- •5.1. Принцип действия и преобразование энергии в машинах постоянного тока
- •5.2. Двигатели постоянного тока
- •5.3. Генераторы постоянного тока
- •5.4. Вентильные двигатели
- •5.5. Упражнения и контрольные вопросы к главе 5.
- •Глава 4. Синхронные машины
- •4.1. Электромеханическое преобразование энергии в синхронных машинах
- •4.2. Специальные синхронные двигатели
- •4.3. Упражнения и контрольные вопросы к главе 4.
- •Глава 3. Асинхронные машины
- •3.1. Общие с сведения и электромеханическое преобразование энергии в асинхронных машинах
- •3.2. Асинхронные трехфазные двигатели
- •3.3. Асинхронные двухфазные управляемые двигатели
- •3.4. Упражнения и контрольные вопросы к главе 3.
- •Глава 2. Преобразование энергии в электрических машинах
- •2.1. Принцип электромеханического преобразования энергии в электрической машине
- •2.2. Однонаправленное преобразование энергии в электрических машинах
- •2.3. Электромеханическое преобразование энергии с помощью вращающегося магнитного поля. Потери энергии. Кпд .
- •2.4. Классификация электрических машин
- •2.5. Упражнения и контрольные вопросы к главе 2.
- •1. Теоретические основы электромеханики
- •1.1. Уравнения движения. Электромеханические аналогии
- •1.2. Электромеханические аналогии уравнения Лагранжа-Максвелла
- •1.3. Энергия электрического и магнитного полей. Силы и моменты, возникающие при электромеханическом преобразовании энергии
- •1.4. Электромагнитные, электродинамические и электростатические преобразователи.
- •1.4.1. Электромагнитные преобразователи.
- •1.4.2. Электродинамические преобразователи.
- •1.4.3. Электростатические преобразователи.
- •1.5. Классификация электромеханических преобразователей
- •1.6. Представление электромеханических преобразователей как преобразователей сигналов (информации)
- •1.7. Анализ простейшего электромеханического преобразователя.
- •1.8. Упражнения и контрольные вопросы к главе 1.
- •Содержание
- •Глава 2. Преобразование энергии в электрических машинах
- •Глава 3. Асинхронные машины
- •Глава 4. Синхронные машины
- •Глава 5. Электрические машины постоянного тока
- •Леонтьев а.Г. Электронная книга по электромеханике
- •2. Машины постоянного тока
- •2.1 Принцип действия машины постоянного тока
- •2.2 Устройство машины постоянного тока
- •2.3 Э.Д.С. И электромагнитный момент машины постоянного тока
- •2.4 Обмотки якоря
- •2.5 Магнитное поле машины постоянного тока
- •2.6. Круговой огонь на коллекторе
- •2.7 Коммутация
- •2.8 Генераторы постоянного тока
- •2.9 Параллельная работа генераторов постоянного тока
- •2.10 Электродвигатели постоянного тока
- •2.11 Пуск в ход электродвигателей постоянного тока
- •2.12 Принципы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока
- •2.13 Работа электродвигателей постоянного тока в тормозных режимах
- •2.14 Современные способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока
- •2.15 Универсальные коллекторные двигатели
5.4. Вентильные двигатели
Машины постоянного тока имеют более высокие технические показатели (линейность характеристики, высокий КПД, малые габариты), чем машины переменного тока. Существенный недостаток - наличие электромеханического коллектора, который снижает надежность, создает радиопомехи, взрывоопасность и т.д.
Этих недостатков лишен бесконтактный двигатель постоянного тока, называемый вентильным двигателем. В этом двигателе щеточный аппарат заменен полупроводниковым коммутатором, якорь находится на статоре, а ротор представляет собой двухполюсный (реже четырехполюсный) постоянный магнит. Для упрощения коммутатора число секции обмотки якоря выбирается малым - три, четыре.
Рис. 5-11а. Трехфазный вентильный двигатель.
Схема трехфазного вентильного двигателя с двухполюсным ротором представлена на . Существенным элементом двигателя является датчик положения - ДПР. Он может основан на разных принципах - фотоэлектрические, индуктивные, емкостные, на эффекте Холла, и т.д. В рассматриваемом двигателе применяется фотоэлектрический датчик, содержащий три неподвижных фотоприемника mlk, которые закрываются поочередно вращающейся шторкой. Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора (шесть фаз), это соответствие кодов и фаз приведено в верхней части .
Фаза |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
K |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
L |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
M |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
U1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
U2 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
U3 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
U4 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
U5 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
U6 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
В этой таблице единице соответствует наличие сигнала на выходе датчика, т.е. когда фотоприемник открыт, а нулю - отсутствие сигнала, когда соответствующий фотоэлемент закрыт шторкой.
Рис. 5-11б. Трехфазный вентильный двигатель.
Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством УУ ( ) в комбинацию управляющих напряжений U1-U6, которые управляют транзисторными ключами K1-K6 согласно нижней части , так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа - верхний и нижний и к сети подключены последовательно две из трех обмоток якоря. Обмотки якоря a,b,c расположены на статоре со сдвигом на 120·град (см. ) и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создается вращающееся магнитное поле. Одному циклу работы коммутатора соответствует один оборот ротора. Цикл делится на шесть тактов (временных фаз), которым соответствует пространственный угол α=60·град. Коммутация производится так, что поток возбуждения Ф0 отстает на угол α от потока якоря. На токи в обмотках и положение ротора показаны для фазы 1. 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.
Рис. 5-12б. Временная диаграмма трехфазного вентильного двигателя.
Временная диаграмма работы вентильного двигателя приведена на . Как видно из диаграммы, вентильный двигатель работает как в данном случае трехфазный синхронный двигатель, частота вращения его ротора пропорциональна частоте вращения поля. Основным отличием от синхронного является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у этого двигателя, наоборот, частота вращения поля пропорциональна (в данном случае при двухполюсном якоре равна) частоте вращения ротора, а частота вращения ротора зависит от напряжения питания, т.е. двигатель работает как двигатель постоянного тока.
В отличие от двигателя постоянного тока, так как вентильный двигатель имеет мало секций в обмотке якоря, момент имеет пульсации, и среднее значение момента зависит от периода включения ключа β, показанного на .
В получена формула для среднего значения электромагнитного момента вентильного двигателя
где M*и ω*- относительные момент и частота вращения по отношению к базовым:
; ; ; ,
где m- число обмоток (секций), R- сопротивление секции.
Учитывая эти соотношения, из можно получить выражение для механической характеристики вентильного двигателя
,
где A и B- коэффициенты, зависящие от β.
;
Эти коэффициенты зависят от способа коммутации обмоток и приведены в .
Способ коммутации |
β |
A |
B |
m |
Парная |
Π |
1.27 |
4 |
4 |
Поочередная(полушаги) |
|
1.24 |
4.1 |
4 |
Трехфазная |
|
1.17 |
4.17 |
3 |
Одинарная |
|
1.02 |
8.4 |
4 |
В рассматриваемом примере применена трехфазная коммутация, другие перечисленные в способы коммутации соответствуют коммутации обмоток в шаговых двигателях, так как вентильный двигатель можно через датчик положения ротора. Механические характеристики показаны на .
Рис. 5-13а. Механические характеристики вентильного двигателя.
При рассмотрении динамики вентильного двигателя надо дополнить уравнение уравнением движения вида
Рис. 5-13б. Структурная схема вентильного двигателя.
На основании и может быть построена структурная схема ( ), по которой получена передаточная функция
,
где - коэффициент передачи двигателя, - электромеханическая постоянная времени.
Таким образом, вентильный двигатель по своим статическим и динамическим характеристикам подобен двигателю постоянного тока.