11.2. Вентильні двигуни

Недоліки двигунів постійного струму у значній мірі пов’язані з наявністю щіточно–колекторного вузла. Досягнення напівпровідникової техніки дозволяють замінити цей вузол безконтактним комутатором на тиристорах або транзисторах. Такі двигуни називаються вентильними або безконтактними двигунами постійного струму.

Як правило, безконтактний двигун постійного струму (4С(Х)2П і ДВУ в тому числі) має обернене виконання, тобто обмотку якоря, розташовують в пазах статора, а ротор являє собою постійний магніт з однією або двома парами полюсів.

Для забезпечення рівномірного обертання двигуна і відсутності “мертвих” точок в утворенні електромагнітного моменту як і в будь–якому двигуні постійного струму необхідна багатосекційна обмотка якоря, а це зв’язано із збільшенням числа напівпровідникових ключів і ускладненням схеми керування. У зв’язку з цим звичайним є компромісне рішення, коли обмотка якоря робиться трисекційною, якій відповідає трифазна обмотка статора машини змінного струму – синхронній (асинхронній). Так, серія вентильних двигунів 4С(Х)2П базується на серії асинхронних двигунів 4А.

Рис.11.4. Схема вентильного двигуна (а), розташування векторів магнітних потоків (б) і часові діаграми напруг на фазних обмотках (в)

Вентильний двигун являє собою електропривід із синхронним двигуном й інвертор. Керування інвертором здійснюється залежно від кута повороту ротора. На рисунку 4 зображена схема обмоток якоря, інвертора та оптичного датчика (а) вентильного двигуна, а також векторні діаграми магнітних потоків (б) і часові залежності напруг на фазних обмотках (в).

Обмотка статора 1 аналогічна трифазній обмотці асинхронного (синхронного) двигуна, ротор 2 явно полюсний, виконаний з постійного магніту, інвертор 3 транзисторний, керований оптичним датчиком 4 кута ротора, який може бути також трансформаторним або швидкісним. Між датчиком кута і ключами комутатора звичайно є підсилювачі–формувачі сигналу, які на рисунках 4 для простоти не показані.

Принципи дії:

• вихідне положення ротора двигуна й датчика кута, непрозорий сектор 5 якого зв’язаний з валом ротора відповідає відрізку часу 1 (рис.4,в). Фотодіоди С^/, В і А^/ закриті сектором 5 та світло на них не попадає, а фотодіоди А, В^/ і С освітлені, пропускають струм та держать транзистори комутатора Та, Тb^/ і Тс у провідному (відкритому) стані.

• до фазних обмоток статора прикладена напругу, знак і рівень котрої показаний на рисунку 4,в, відповідне положення векторів магнітних потоків: Фа, Фb, Фс – фаз А, В і С і Ф_яΣ – якоря (сумарного), Фо – постійного магніту зображено на рисунку 4,б;

• потік Ф_яΣ є результуючим вектором магнітного поля якоря й складається з потоків Фа, Фb, Фс. При вказаному розташуванні векторів Ф_яΣ і Фо на ротор діє момент, що прагне сумістити вектор Фо з Ф_яΣ на ±30^о від указаного на рисунку середнього положення;

• при повороті ротора під дією М проти годинникової стрілки більше ніж на 30^о від вказаного положення сектор 5 датчика відкриє фотодіод С^/ і закриє фотодіод С, відповідно відключиться транзистор Т^/_с, тобто полярність напруги, прикладеної до фази С, зміниться, а на фазах А й В відбувається перерозподіл величин напруг без зміни знака (рис.4,в);

• вектор Ф_яΣ повернеться у напрямку обертання ротора на 60^о. По мірі обертання ротора за його повний оберт станеться шість перемикань транзисторів інверторів. Перші гармоніки отриманих напруг на обмотках статора утворять трифазну систему і створюють обертове магнітне поле, синхронно з яким обертається ротор.