Глава №10: Вентильные микродвигатели

Вопрос №1: Какие электродвигатели называются вентильными?

Синхронный двигатель, питающийся от сети через полупроводниковый коммутатор, управляемый в функции углового положения ротора, получил название вентильного двигателя.

Вопрос №2: Какова функциональная схема ВД?

ПЧ – преобразователь частоты;

СФСУ – система формирования сигналов управления;

УАУ – устройство автоматического управления;

ДТ – датчик тока;

ДН – датчик напряжения;

СД – синхронный двигатель;

ДПР – датчик положения ротора;

ДЧВ – датчик частоты вращения;

Вопрос №3: Объясните принцип действия ВД.

Вентильные двигатели могут использоваться не только в качестве двигателей общего назначения с широким диапазоном регулирования угловой скорости, но и в качестве исполнительных двигателей (при малой индуктивности якорных обмоток).

ВД являются по существу синхронным двигателями, так как средняя угловая скорость магнитного поля якоря равна средней угловой скорости ротора, а частота ЭДС вращения совпадает с частотой выходного напряжения преобразователя частоты (с частотой инвертора). При увеличении нагрузки ротор двигателя тормозится, но в силу наличия жесткой позиционной обратной связи не выпадает из синхронизма.

Механические характеристики ВД, как будто напоминают характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Вентильные двигатели иногда называют бесконтактными, бесколлекторными или бесщеточными двигателями постоянного тока.

Вопрос №4: Какие функции выполняет датчик положения ротора в ВД?

В ВД система электронный коммутатор – датчик положения ротора поддерживает направление МДС обмотки якоря приблизительно перпендикулярным продольной оси ротора, т.е. синхронные двигатели работают со средним углом между осями МДС статора и ротора, близким π/2, как и двигатели постоянного тока.

Вопрос №5: Какие схемы полупроводниковых коммутаторов используются в ВД малой мощности?

По способу питания все схемы ВД можно разделить на две группы: с однополярной коммутацией, когда ток в каждой фазе обмотки якоря протекает лишь в одном направлении, и с двухполярной коммутацией, когда направление тока в каждой фазе реверсируется.

Вопрос №6: Чем обусловлены пульсации вращающего момента ВД?

Пульсации момента обусловлены отличием формы ЭДС вращения от формы напряжения в пределах мехкоммутационного интервала. По форме они отличаются от синусоидальной и сопровождаются пульсациями тока, приводящими к снижению КПД двигателя. В трёхфазном ВД пульсации тока и момента принципиально неизбежны из-за того, что нельзя обеспечить прямоугольную форму ЭДС, а напряжение питания фазы ступенчатую форму, поэтому трёхфазный ВД принципиально несколько уступает по КПД трёхфазному синхронному двигателю, питаемому синусоидальным напряжением и имеющему близкую к синусоидальной форму ЭДС.

Вопрос №7: Как влияет индуктивность обмотки якоря на механические характеристики ВД?

При возрастании индуктивности обмотки якоря увеличивается нелинейность механических характеристик ВД.

Вопрос №8: От чего зависит выбор установки угла коммутации ДПР?

С увеличением угла коммутации снижается пусковой момент ВД, но возрастает вращающий момент при больших частотах вращения. При большой индуктивности обмотки якоря необходимо устанавливать при помощи ДПР опережающий угол коммутации. Объясняется это тем, что при подаче напряжения ток в обмотке якоря изменяется не скачком, а нарастает по экспоненте в течении времени, за которое ротор успевает повернуться на некоторый угол. На значение этого угла и следует включить напряжение с опережением, т.е. управляющий сигнал от ДПР должен появится раньше. Обеспечивается это сдвигом ДПР против направлений вращения ротора.

Вопрос №9: Какая форма ЭДС вращения, наводимой в обмотке якоря, предпочтительна и почему?

При трапецеидальной форме ЭДС и малой индуктивности обмотки пульсации потребляемого тока и вращающего момента значительно меньше, чем в трёхфазном ВД, а КПД несколько выше.

(10.19)

Где - мгновенное значение противоЭДС вращения;

- угловая скорость ротора.

Из (10.19) следует, что при постоянной вращения развиваемый ВД момент определяется формой кривой тока и формой кривой ЭДС. Чем точнее математическое описание указанных кривых, тем с меньшей погрешностью находят вращающий момент ВД. Кривые тока и ЭДС рассматриваются на одном межкоммуникационном интервале, т.к. на следующих интервалах их форма повторяется.

Вопрос №10: Как и от чего защищают силовые ключи в электронном коммутаторе?

Наибольшее распространение получил так называемый дискретно-фазовый способ регулирования, при котором включение транзисторов коммутатора производят по сигналу генератора опорной частоты (ГОЧ), а отключение – по сигналу ДПР. Если ротор ускорился, то фронт сигнала ДПР приходит раньше, чем фронт сигнала ГОЧ, но в течение этого времени обмотка якоря остаётся отключенной, ВД не развивает вращающий момент, вращение ротора замедляется, фазовое рассогласование между сигналами ДПР и ГОЧ уменьшается, поэтому на следующем интервале время отключенного состояния обмотки якоря уменьшается. В установившемся режиме фазовое рассогласование сигналов стабилизируется, ему соответствует определённая длительность включённого состояния обмотки якоря ВД, а также установившаяся частота вращения.

Вопрос №11: Какие типы ДПР используются в ВД?

В настоящее время широкое распространение получили бесконтактные датчики, работающие на переменном и постоянном токе, а также ДПР на базе магниточувствительных микросхем, содержащие датчик ЭДС Холла; выходной сигнал такого ДПР может быть как аналоговым, так и дискретным. Другим распространённым типом ДПР для микродвигателей является оптоэлектрический датчик (фотодатчик); его удобство состоит в использовании энергии излучения, источник которой (светоизлучающий диод) и приёмник (фототранзистор) располагают на статоре ВД. На роторе размещают лишь модулятор потока энергии излучения.