22

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

__________________________________________________

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСКОНТАКТНОГО

ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Лабораторная работа

по курсу

«Специальные вопросы электропривода»

(Продолжительность лабораторного занятия – 4 часа)

Цель работы

Цель исследования – ознакомление с принципом работы и конструкцией бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ), экспериментальное определение и анализ механических, электромеханических и регулировочных характеристик двигателя, а также сравнение свойств БДПТ с классическими коллекторными машинами постоянного тока и изучение работы БДПТ в системе с отрицательной обратной связью по скорости.

Предварительное задание

Каждый студент должен изучить принцип работы бесколлекторного двигателя постоянного тока и методы получения его характеристик

Общие положения

Коллекторные исполнительные двигатели постоянного тока широко используются в системах автоматического управления и регулирования. Такие двигатели обладают хорошими регулировочными характеристиками, высоким КПД (до 70 %), линейностью и однозначностью характеристик, а также невозможностью самохода. К основному недостатку коллекторного двигателя постоянного тока следует отнести наличие скользящих контактов в щеточно-коллекторном узле. Подвижный контакт между щетками и коллектором снижает надежность работы и создает электромагнитные помехи в широком диапазоне частот. В агрессивных средах, а также при высоком вакууме работа таких двигателей практически невозможна. Все это обусловило разработку двигателя без щеточно-коллекторного узла, но с сохранением основных достоинств коллекторного двигателя.

В бесконтактном двигателе постоянного тока (БДПТ) на роторе устанавливают постоянные магниты, создающие поток возбуждения. Обмотка якоря располагается в пазах статора. Коммутация секций якорной обмотки осуществляется полупроводниковым коммутатором, управляемым датчиком положения ротора (ДПР). В качестве ключевых элементов используются транзисторы или тиристоры. Коммутатор выполняет функции коллектора обычной машины постоянного тока. С датчика положения ротора снимаются периодические сигналы, по которым электронный коммутатор поочередно подключает секции якорной обмотки к источнику питания. Это приводит к возникновению вращающего магнитного поля статора и, как следствие этого, вращение ротора. Таким образом, частота переключений секций якорной обмотки определяется угловой скоростью ротора, т.е., как и в случае коллекторного двигателя, регулируется самой машиной.

Реверс БДПТ производится путем изменения последовательности подключения силовых обмоток статора к источнику питания. Такое изменение производится переключением в электронном коммутаторе либо использованием двух комплектов датчиков положения ротора (ДПР).

Датчики положения ротора могут быть самые различные: фотоэлектронные, емкостные, индукционные, а также с использованием магниточувствительных резисторов, магнитодиодов и датчиков, работающих на эффекте Холла. Наибольшее распространение получили индукционные ДПР и ДПР, основанные на эффекте Холла.

Одна из возможных конструкций индукционного ДПР приведена на рис.1. Датчик состоит из закрепленного на статоре двигателя шихтованного Ш-образного сердечника 1 с первичной 2 и вторичной 3 обмотками. На роторе размещаются магнитомягкие накладки 4, которые при определенном угле поворота ротора перекрывают зазор между средним и одним из крайних выступов сердечника 1. Обмотка 2 на среднем выступе питается от генератора высокой частоты  (1,5-2 кГц). Когда под сердечником накладки 4 нет, сигнал в выходной обмотке 3 отсутствует, так как магнитная система симметрична. Если накладка перекрывает зазор сердечника 1, то симметрия магнитной системы нарушается и в обмотке 3 появляется высокочастотный сигнал, из которого формируются прямоугольные импульсы, подаваемые на управляющие электроды электронного блока.

Характеристики БДПТ тем ближе к характеристикам классического коллекторного двигателя постоянного тока, чем больше число катушек силовой якорной обмотки, размещенной на статоре. Однако пропорционально числу катушек увеличивается число датчиков положения ротора и усложняется конструкция электронного коммутатора. Поэтому в практических конструкциях размещение на статоре более 3-4 катушек нецелесообразно.

Масса и габариты БДПТ могут быть несколько больше, чем у коллекторных двигателей такой же мощности, в основном, из-за массы и габаритов электронного коммутатора.

У бесколлекторных двигателей постоянного тока коммутируемые секции статорной обмотки имеют большее количество витков, чем в коллекторных машинах. Поэтому при выводе уравнений механических и регулировочных характеристик следовало бы учитывать ЭДС самоиндукции в коммутируемой катушке. Однако большинство бесконтактных микродвигателей выполнены с возбуждением от постоянных магнитов. Постоянный магнит ротора таких двигателей имеет малую магнитную проницаемость, и индуктивность статорной обмотки получается малой. Поэтому механические и регулировочные характеристики у БДПТ сохраняются практически линейными, как у коллекторных двигателей.



Рис. 1

Так же, как у коллекторного двигателя постоянного тока, скорость вращения БДПТ может регулироваться изменением напряжения питания и введением добавочного сопротивления в цепь якоря.

При изменении напряжения питания регулирование угловой скорости осуществляется вниз от основной, так как напряжение, прикладываемое к якорю, может изменяться только вниз от номинального. При изменении напряжения регулировочные характеристики располагаются параллельно друг другу, т.е. имеют одинаковую жесткость.

Плавность регулирования определяется плавностью изменения напряжения питания. На рис. 2 приведено семейство механических характеристик БДПТ при различных величинах питающего напряжения U_н  U₁  U₂.

Рис. 2

При введении добавочного сопротивления в якорную цепь БДПТ (реостатное регулирование) изменяется жесткость характеристики, а значит, и стабильность угловой скорости. Регулирование скорости таким способом также возможно только вниз от основной, и жесткость характеристик уменьшается с увеличением добавочного сопротивления. На рис. 3 приведены механические характеристики БДПТ при реостатном регулировании скорости вращения (R_д = 0; R_д2  R_д1).

Конструктивно БДПТ наиболее часто выполняется в виде двух отдельных устройств: электронного блока и электромеханической части, соединяемых между собой гибкими кабелями с многоштырьковыми разъемами.

Основными преимуществами БДПТ по сравнению с коллекторной машиной, являются большой срок службы, возможность получения большой частоты вращения (до 100 тыс. об./мин) и практическое отсутствие электромагнитных помех. Недостатки – более высокая стоимость и неустойчивая работа при низких скоростях вращения. БДПТ используются в электроприводах самолетов, космических летательных аппаратах и в высококачественной записывающей и воспроизводящей аудио- и видео-аппаратуре.

Рис. 3

Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд состоит из электромеханического агрегата на базе бесконтактного двигателя постоянного тока типа БК-1424 с тахогенераторной обмоткой, электромагнитного тормоза с моментомером и приборного блока с цифровым измерителем угловой скорости двигателя.

Основные технические данные двигателя БК-1424

Номинальное напряжение питания 27 В

Номинальная мощность 6 Вт

Номинальная угловая скорость вращения,

рад/с (об./мин) 419 (4000)  10%

Номинальный вращающий момент 0,0147 Нм

Режим работы S1, S2, S3

Кратность пускового момента 1,5

Коэффициент полезного действия 51%

Минимальная наработка двигателя 20000 часов

Минимальный срок службы 12 лет

Двигатель выдерживает:

повышение атмосферного давления не выше 297 кПа (3 атм)

понижение атмосферного давления не ниже 0,67 Па (5 мм рт. ст.)

повышение предельной температуры не выше + 60 °С

понижение предельной температуры не ниже – 60 °С

Масса 0,54 кг

Статор двигателя БК-1424 выполнен в виде неявнополюсной конструкции с 4 полюсами и статорной обмоткой возбуждения (рис. 4), состоящей из четырех секций Н1, К1; К2, Н2; Н3, К3 и К4, Н4, а также тахогенераторной обмотки Н5, К5.

Рис. 4

На рис. 5 показано размещение секций обмотки на полюсных наконечниках статора. На полюсных наконечниках 1 и 2 размещены секции Н1, К1 и К2, Н2, а на полюсах 3 и 4 секции Н3, К3 и К4, Н4. Соединения секций выполнено в соответствии со схемой на рис. 2.

Рис. 5

В двигателе БК-1424 в качестве датчиков положения ротора применены два датчика Холла. Каждый датчик выполнен в виде прямоугольной пластины из полупроводникового материала (кремния), рис. 6. К металлизированным граням 1-1 припаяны выводы, называемые токовыми, через которые датчик подключается к источнику питания и через пластину начинает протекать ток. Если при этом поместить пластину в постоянное магнитное поле Н, перпендикулярное плоскости датчика, то между выводами 2-2 (холловские выводы) возникает разность потенциалов U, определяемая выражением: , где I  ток, текущий через пластину; Н – напряженность магнитного поля; h – толщина пластины; R – коэффициент Холла. При изменении направления поля Н или тока I меняется знак, возникающей разности потенциалов U.

На рис. 5 датчики Холла Х1 и Х2 показаны расположенными непосредственно в рабочем зазоре магнитной системы. Реально датчики размещены не в рабочем зазоре, а в специальных пазах по центрам полюсов и под углом 90° относительно друг друга. Полярность выходного напряжения датчиков определяется знаком магнитной индукции поля, создаваемого постоянными магнитами ротора.

Рассмотрим работу бесконтактного двигателя с помощью рис. 5 и приведенной на рис. 6 упрощенной принципиальной схемы электронного коммутатора. Четыре силовых транзистора VT3, VT4 и VT9, VT10, в коллекторные цепи которых включены обмотки статора, по сигналам с датчиков Холла Х1 и Х2 подключают их к источнику питания двигателя. При этом датчик Х2 управляет работой транзисторов VT3 и VT4, а датчик Х2 работой транзисторов VT9 и VT10. Транзистор VT3 коммутирует секцию К4, Н4, VT4 – секцию Н3, К3, VT9 – секцию Н1, К1 и VT10 – секцию К2, Н2. В отсутствие сигналов с датчиков Холла Х1 и Х2 все четыре транзистора заперты и двигатель обесточен. Каждая секция, например Н1, К1, состоит из двух катушек, соединенных последовательно и размещенных на статорных полюсных наконечниках 1 и 2. На тех же полюсных наконечниках находятся катушки секции К2, Н2. Аналогично на полюсных наконечниках 3 и 4 размещены катушки секций Н3, К3 и К4, Н2. Такое размещение двух секций на каждой паре полюсных наконечников позволяет менять направление магнитного потока статора. Изменение магнитного потока достигается тем, что у первой и третьей статорных секций с источником питания через силовые транзисторы соединяется начало обмоток Н1 и Н3, а у второй и четвертой секции конец  обмоток К2 и К4.

H

h

Рис. 6

Пусть на тактовые выводы датчиков Холла Х1 и Х2 подано напряжение и через датчики протекает ток, а южный полюс ротора (Рис. 5) находится под датчиком Х2. В этом случае условия возникновения эффекта Холла выполнены и между холловскими выводами датчика Х2 возникает разность потенциалов. Пусть положительный потенциал с датчика Х2 подан на базу транзистора VT3 – транзистор открывается и подключает секцию Н3, К3, размещенную на полюсах 3 и 4, к источнику питания двигателя. При этом на полюсном наконечнике 3 образуется северный полюс, а на полюсном наконечнике 4 – южный, и ротор поворачивается на 90 по часовой стрелке.

Теперь южный полюс ротора находится под датчиком Х1 и положительный потенциал с датчика Х1 открывает транзистор VT10 и подключает к источнику питания секцию К2, Н2. На полюсном наконечнике 1 образуется южный полюс, а на полюсном наконечнике 2 – северный, и ротор поворачивается еще на 90 по часовой стрелке. Чтобы из этого положения ротор повернулся еще на 90 необходимо, чтобы на полюсном наконечнике 3 возник южный полюс, а на полюсном наконечнике 4 – северный. Это достигается изменением направлением магнитного потока путем подключения к источнику питания секции К4, Н4. Далее процесс повторяется.

Замкнутая система стабилизации скорости вращения двигателя

В лабораторном стенде для стабилизации скорости вращения, схема которого показана на рис. 7, введена отрицательная обратная связь по скорости. В качестве датчика скорости используется тахообмотка TGW. При вращении ротора в обмотке наводится переменная ЭДС, величина которой пропорциональна скорости. Переменное напряжение с тахообмотки подается на первичную обмотку трансформатора Т1. выпрямленное напряжение сравнивается с управляющим напряжением, величина которого может плавно регулироваться потенциометром R3. При превышении величины управляющего напряжения над выпрямленным напряжением с тахообмотки открывается транзистор VT1 и на токовые выводы датчиков Холла поступает напряжение. Это приводит к появлению ЭДС на холловских выводах датчиков, включению двигателя и увеличению его угловой скорости. Увеличение скорости вращения будет происходить до тех пор, пока величина выпрямленного напряжения с тахообмотки не превысит управляющего напряжения. Это приведет к закрытию транзистора VT1, прекращению подачи напряжения на токовые выводы датчиков Холла и, как следствие этого, обесточиванию двигателя. Двигатель переходит в режим свободного выбега, и его скорость вращения будет снижаться до тех пор, пока не откроется транзистор VT1. Далее процесс будет повторяться, и угловая скорость двигателя  поддерживаться на уровне, определяемом величиной управляющего напряжения.

Конструктивно тахообмотка размещена непосредственно в пазах статора вместе с обмоткой якоря, и между ними имеется индуктивная связь. Поэтому на тахогенераторной обмотке, кроме ЭДС вращения, наводится ЭДС самоиндукции, возникающая при коммутации секций якорной обмотки силовыми транзисторами VT3, VT4 и VT9, VT10. Это приводит к некоторому отклонению линейной зависимости скорости вращения двигателя от величины управляющего напряжения.

Перевод обозначений на панели приборного блока

POWER – энергия

CONTROL VOLTAGE – управляющее напряжение

ARMATUR VOLTAGE  напряжение якоря

ARMATUR CURRENT – ток якоря

SPEED, rad/s – скорость, рад/с

TEST MOTOR – исследуемый двигатель

SYPPLY VOLTAGE – напряжение питания

HG – датчик Холла

DIGITAL TACHOMETER – цифровой тахометр

CMPT – компьютер

COMPENSATOR – компенсатор

CURRENT SOURCE – источник тока

BRAKE CONTROL – регулировка нагрузки

BRAKE – электромагнитный тормоз

TGW – тахогенераторная обмотка

Рабочее задание

В данной работе требуется

1. Ознакомиться с устройством лабораторного стенда

2. Снять механические и электромеханические характеристики двигателя при регулировании угловой скорости вращения путем изменения напряжения на якоре.

3. Снять механические и электромеханические характеристики двигателя при реостатном регулировании скорости вращения.

4. Снять механические и электромеханические характеристики двигателя в системе с отрицательной обратной связью по скорости.

Указания по выполнению лабораторной работы

1. Проверка работоспособность стенда.

Для этого:

перевести тумблеры S1 и S2 в крайнее левое положение;

повернуть ручки потенциометров R2 и R3 влево до упора, а ручку потециометра R1 вправо до упора;

включить автомат на левой боковой панели, при этом должна загореться лампочка POWER;

повернуть почасовой стрелке потенциометр R3 и убедиться в том, что ротор двигателя приводиться во вращение;

переключить тумблер S3 и убедиться в том, что ротор двигателя изменяет направление вращения;

повернуть ручку потенциометра R1 против часовой стрелки и по показаниям цифрового тахометра убедиться в том, что скорость вращения ротора уменьшается;

повернуть по часовой стрелке ручку потенциометра R2 и убедиться в том, что балансирная система электромагнитного тормоза реагирует поворотом лимба на увеличение тока через обмотку возбуждения электромагнитного тормоза;

повернуть ручки потенциометров R2 и R3 влево до упора, а ручку потенцометра R₁ вправо до упора.

Теперь ручки потенциометров и тумблеров установлены в исходное положение и стенд готов к работе.