Для чего используются вентильные двигатели

Вентильный двигатель

Машины постоянного тока, как правило, имеют более высокие технико-экономические показатели (линейность характеристик, высокий КПД, малые габариты и пр.), чем машины переменного тока. Существенный недостаток — наличие щеточного аппарата, который снижает надежность, увеличивает момент инерции, создает радиопомехи, взрывоопасность и т.д. Поэтому, естественно, актуальна задача создания бесконтактного (бесколлекторного) двигателя постоянного тока.

Решение этой задачи оказалось возможным с появлением полупроводниковых приборов. В бесконтактном двигателе постоянного тока, именуемом вентильным двигателем постоянного тока , щеточный аппарат заменен полупроводниковым коммутатором, якорь неподвижен, ротор представляет собой постоянный магнит.

Принцип работы вентильного двигателя

Под вентильным двигателем понимают систему регулируемого электропривода, состоящую из электродвигателя переменного тока, конструктивно подобного синхронной машине, вентильного преобразователя и устройств управления, обеспечивающих коммутацию цепей обмоток электродвигателя в зависимости от положения ротора двигателя. В этом смысле вентильный двигатель подобен двигателю постоянного тока, в котором посредством коллекторного коммутатора подключается тот виток обмотки якоря, который находится под полюсами возбуждения.

Вентильный двигатель постоянного тока представляет собой сложное электромеханическое устройство, в котором сочетаются простейшая электрическая машина и электронная система управления.

Двигателям постоянного тока присущи серьезные недостатки, обусловленные, главным образом, наличием щеточно-коллекторного аппарата:

1. Недостаточная надежность коллекторного аппарата, необходимость его периодического обслуживания.

2. Ограниченные величины напряжения на якоре и, следовательно, мощности двигателей постоянного тока, что ограничивает их применение для высокоскоростных приводов большой мощности.

3. Ограниченная перегрузочная способность двигателей постоянного тока, ограничение темпа изменения тока якоря, что существенно для высокодинамичных электроприводов.

В вентильном двигателе указанные недостатки не проявляются, поскольку здесь щеточно-коллекторный коммутатор заменен бесконтактным коммутатором, выполненным на тиристорах (для приводов большой мощности) или на транзисторах (для приводов мощностью до 200кВт). Исходя из этого, вентильный двигатель, который конструктивно выполняется на базе синхронной машины, часто называют бесконтактным двигателем постоянного тока.

По управляемости вентильный двигатель также подобен двигателю постоянного тока — его скорость регулируется изменением величины подводимого постоянного напряжения. Благодаря своим хорошим регулировочным качествам вентильные двигатели получили широкое применение для привода различных роботов, металлорежущих станков, промышленных машин и механизмов.

Электропривод по системе транзисторный коммутатор-вентильный двигатель с постоянными магнитами

Вентильный двигатель рассматриваемого типа выполнен на базе трехфазной синхронной машины с постоянными магнитами на роторе. Трехфазные обмотки статора питаются постоянным током, подаваемым поочередно в две последовательно соединенные фазные обмотки. Переключение обмоток производится транзисторным коммутатором, выполненным по трехфазной мостовой схеме. Транзисторные ключи открываются и закрываются в зависимости от положения ротора двигателя. Схема вентильного двигателя представлена на рис.1.

Рис.1. Схема вентильного двигателя с транзисторным коммутатором

Момент, создаваемый двигателем, определяется взаимодействием двух потоков:

• статора, создаваемого током в обмотках статора,

• ротора, создаваемого высокоэнергетическими постоянными магнитами (на основе сплавов самарий-кобальт и других).

где: θ — пространственный угол между векторами потоков статора и ротора; рп — число пар полюсов.

Магнитный поток статора стремится повернуть ротор с постоянными магнитами, так, чтобы поток ротора совпал по направлению с потоком статора (вспомним магнитную стрелку, компаса).

Наибольший момент, создаваемый на валу ротора, будет при угле между векторами потоков равным π/2 и будет уменьшаться до нуля по мере сближения векторов потоков. Эта зависимость показана на рис.2.

Рассмотрим пространственную диаграмму векторов потоков, соответствующую двигательному режиму (при числе пар полюсов pn=1). Предположим, что в данный момент включены транзисторы VT3 и VT2, (см. схему рис.1). Тогда ток проходит через обмотку фазы В и в обратном направлении через обмотку фазы А. Результирующий вектор м.д.с. статора будет занимать в пространстве положение F3 (см.рис.3).

Если ротор занимает в этот момент положение, показанное на рис.4., то двигатель будет развивать в соответствии с 1 максимальный момент, под действием которого ротор будет поворачиваться по часовой стрелке. По мере уменьшения угла θ момент будет уменьшаться. Когда ротор повернется на 30° необходимо в соответствии с графиком на рис.2. переключить ток в фазах двигателя, так, чтобы результирующий вектор м.д.с. статора занял положение F4 (см. рис.3). Для этого нужно отключить транзистор VT3 и включить транзистор VT5.

Читайте также:  Ваз 2110 на холодный двигатель заводиться и глохнет

Переключение фаз выполняет транзисторный коммутатор VT1-VT6, управляемый от датчика положения ротора DR; при этом угол θ поддерживается в пределах 90°±30°, что соответствует максимальному значению момента с наименьшими пульсациями. При рn=1 за один оборот ротора должно быть произведено шесть переключений, благодаря которым м.д.с. статора совершит полный оборот (см. рис.3). При числе пар полюсов больше единицы поворот вектора м.д.с. статора, а, следовательно, и ротора, составит 360/рn градусов.

Рис.2. Зависимость момента двигателя от угла между векторами потоков статора и ротора (при рn=1)

Рис.3. Пространственная диаграмма м.д.с. статора при переключении фаз вентильного двигателя

Рис.4. Пространственная диаграмма потоков в двигательном режиме

Регулирование величины момента производится изменением величины м.д.с. статора, т.е. изменением средней величины тока в обмотках статора

где: R1 — сопротивление обмотки статора.

Поскольку поток двигателя постоянен, то э.д.с. Ея, наводимая в двух последовательно включенных обмотках статора будет пропорциональна скорости ротора. Уравнение электрического равновесия для цепей статора будет

При отключении ключей ток в обмотках статора мгновенно не исчезает, а замыкается через обратные диоды и фильтровый конденсатор С.

Следовательно, регулируя напряжение питания двигателя U1, можно регулировать величину тока статора и момента двигателя

Нетрудно заметить, что полученные выражения подобны аналогичным выражениям для двигателя постоянного тока, вследствие чего механические характеристики вентильного двигателя в данной схеме подобны характеристикам двигателя постоянного тока независимого возбуждения при Ф=const.

Изменение напряжения питания вентильного двигателя в рассматриваемой схеме производится методом широтно-импульсного регулирования. Изменяя скважность импульсов транзисторов VT1-VT6 в периоды их включенного состояния, можно регулировать среднюю величину напряжения, подаваемого на обмотки статора двигателя.

Для осуществления режима торможения алгоритм работы транзисторного коммутатора должен быть изменен таким образом, чтобы вектор м.д.с. статора отставал от вектора потока ротора. Тогда момент двигателя станет отрицательным. Поскольку на входе преобразователя установлен неуправляемый выпрямитель, то рекуперация энергии торможения в данной схеме невозможна.

При торможении происходит подзаряд конденсатора фильтра С. Ограничение напряжения на конденсаторах осуществляется путем подключения разрядного сопротивления через транзистор VT7. Таким образом, энергия торможения рассеивается в разрядном сопротивлении.

Источник

«Вентильные двигатели и их применение»

«ВЕНТИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ»

«Оренбургский государственный университет», г. Оренбург

Комплексная автоматизация производства, необходимая для существенного повышения производительности обществен­ного труда, предполагает интенсификацию работ в области создания промышленных роботов и манипуляторов, эффектив­ность которых в значительной степени определяется свойствами входящих в их состав приводных механизмов. Совершен­ствование робототехнических систем, и в частности более ши­рокое внедрение адаптивных роботов, привело к преимущест­венному развитию и использованию электрического привода, обладающего высокой надежностью и простотой эксплуатации. Этому также способствовали достижения в области электрома­шиностроения, систем управления электроприводами, широкие возможности электроники, позволяющие за счет оригинальных технических решений, новых технологий и материалов созда­вать высоконадежные, быстродействующие адаптивные систе­мы.

Наибольшее распространение в электроприводах роботов получили коллекторные электродвигатели постоянного тока независимого возбуждения различного конструктивного испол­нения. Тем не менее, из-за наличия щеточно-коллекторного узла, снижающего надежность и срок службы привода и яв­ляющегося источником пыли, радио — и акустических помех, их применение ограничено, а в ряде случаев невозможно — в условиях агрессивных и взрывоопасных сред, высокой влаж­ности и температуры. Именно поэтому как в России, так и за рубежом велик интерес к разработке вентильных электродви­гателей постоянного тока, обладающих характеристиками коллекторных двигателей и надежностью машин переменного тока.

Вентильные электродвигатели, как и другие типы двигате­лей в составе привода промышленного робота, должны удов­летворять специфичному для него комплексу требований. Эта специфика определяется распространенным в настоящее вре­мя модульным принципом построения роботов из ограничен­ного числа относительно независимых унифицированных уст­ройств — модулей и необходимостью размещения электродвигателей непосредственно в сочленениях конструктивной схемы робота. Наиболее жесткие требования предъявляются к быст­родействию, перегрузочной способности двигателя, массогабаритным показателям, экономичности, надежности и ресурсу. Модульный принцип предполагает наличие более широкого ряда электродвигателей по мощности и моменту по сравнению с немодульными конструкциями. Согласно требованиям для электромеханических модулей, электродвигатели должны выпускаться в 10 габари­тах в диапазоне мощностей 10—10 000 Вт с делением в пре­делах каждого габарита на типоразмеры, отличающиеся час­тотой вращения и величиной перемещения выходного звена.

Читайте также:  Схема фильтров системы питания двигателя

На сегодняшний день практически во всех развитых стра­нах налажен серийный выпуск двух — и трехфазных вентиль­ных микроэлектродвигателей мощностью до 1000 Вт, которые используются в основном в звукозаписывающей аппаратуре и различных системах автоматики. В России этому во многом способствовали теоретические исследования и раз­работки , , ([1]-[6]) и других ученых. Вопросами создания вентильных электродвигателей занимаются ученые ряда ведущих зарубеж­ных фирм Великобритании, США, Японии, ФРГ и других стран. В последнее время как у нас в стране, так и за рубе­жом ведутся интенсивные работы по созданию вентильных электродвигателей для привода роботов самого различного на­значения. При этом наряду с электродвигателями, предназна­ченными для работы совместно с понижающим редуктором, создаются моментные двигатели для непосредственного (безредукторного) привода. Диапазон развиваемых моментов та­ких двигателей достаточно широкий (до 1000 Нм) при мак­симальной частоте вращения, составляющей несколько десят­ков оборотов в минуту. Так, в России разработана серия моментных приводов с вентильными электродвигателями (ДБМ) для редукторных и безредукторных электромеханических си­стем малой и средней мощности (до 1 кВт). Диапазон разви­ваемых моментов 0,04—16 Нм. В стадии освоения находятся три серии вентильных электродвигателей (ДВУ, 2ДВУ, ЗДВУ) для приводов подач станков с ЧПУ и роботов. Эти двигатели имеют в своем составе комплексный датчик, включающий в себя бесколлекторный тахогенератор, бесконтактный датчик поло­жения ротора и датчик положения выходного звена манипуля­тора. Охватываемый диапазон моментов 0,05—170 Нм и частот вращения 2000—6000 об/мин.

Тем не менее, на сегодняшний день отечественная промыш­ленность не выпускает ни одной серии электродвигателей, в том числе и вентильных, которые бы полностью перекрывали необхо­димый для робототехники диапазон мощностей в соответствии с требованиями принятых стандартов. Особенно это относится к приводам роботов, построенных по модульному принципу, для которых требуется широкая номенклатура электродвигателей малой и средней мощности. В связи с этим при разработке но­вых серий электродвигателей для электромеханических модулей необходимо наряду с использованием традиционных трехфазных схем и конструкций вентильных двигателей проанализировать возможность применения новых, оригинальных технических ре­шений, не уступающих им по отдельных показателям, а в ряде случаев и превосходящих их.

Поскольку публикации, посвященные применению вентиль­ных электродвигателей в приводах роботов, носят, как правило, частный характер и представляют собой описание отдельных конструктивных и принципиальных схем, имеется необходимость рассмотреть комплекс вопросов исследования, разработки и про­ектирования вентильных электродвигателей с позиции их ис­пользования в приводах промышленных роботов различного на­значения и наиболее полного удовлетворения предъявляемых к ним как специальных требований, так и требований в составе электромеханических модулей.

Особое внимание, следует уделить двухфазным и четырех-секционным схемам вентильных электродвигателей. Во-первых, описанию трехфазных двигателей с одно — и двух-полупериодным питанием посвящено достаточно много публика­ций. Во-вторых, результаты исследований авторов показывают, что на основе рассматриваемых схем электродвигателей, воз­можно создать вентильный электропривод постоянного тока, ко­торый в ряде случаев превосходит по своим характеристикам привод с трехфазными двигателями с позиции удовлетворения требований к ним в составе робота. Кроме того, в двухфазных двигателях проще организуется резервирование элементов, чем в трехфазных, что имеет значение для повышения надежности систем и увеличения ресурса работы. Хотя в настоящее время четырехсекционные и двухфазные вентильные двигатели нашли применение в подавляющем большинстве случаев в автоматиче­ских системах малой мощности, авторы показывают возмож­ность существенного расширения диапазона развиваемых мо­ментов, мощности и достижимых усилий (применительно к электромеханическим модулям поступательного перемещения), реализованную в конкретных образцах двигателей.

Следует также оговорить принятый подход, к расчету электродвигателей исходя из заданного уровня КПД. Энергети­ческие показатели элементов электропривода определяют, пре­жде всего, его массогабаритные показатели, так как объем по­лупроводникового коммутатора в большей степени определяется рассеиваемой мощностью на силовых ключах. Поэтому повыше­ние КПД связано непосредственно с улучшением массогабаритных показателей вентильного электродвигателя в целом. Для автономных роботов эти показатели решающие. При этом при­менение для постоянных магнитов индуктора материалов с вы­соким значением коэрцитивной силы позволяет существенно снизить объем ротора и сводит задачу достижения минимума момента инерции и массогабаритных показателей к задаче ра­ционального конструирования электрической машины при обес­печении максимума КПД.

Читайте также:  Что будет если налить полный двигатель масла

Принцип действия ВД. Двигательная часть содержит двухполюсный ротор и трёхфазный якорь с катушками , , , а в качестве инвертора используется инвертор тока, обеспечивающий неизменное значение первичного тока благодаря индуктивности (рисунок 1).

Инвертор «И» собирается на управляемых полупроводниковых элементах – тиристорах или транзисторах (для ВД малой мощности). Управление инвертором осуществляется системой управления «СУ» с помощью бесконтактных датчиков положения ротора «ДПР». Помимо «ДПР» в ВД могут использоваться датчики, фиксирующие положение амплитуды полного магнитного потока, длительность периода коммутации вентилей (угла ) и др., а также датчики, сигналы которых пропорциональны напряжению и току двигателя (датчики нагрузки).

Рисунок 1 – Схема вентильного двигателя

Пусть в момент времени ротор и связанный с ним поток возбуждения занимают положение , изображённое на рисунке, а ДПР включают соответствующие полупроводниковые элементы фазы и протекающий в катушке ток , создаёт поток , направленный под некоторым углом к потоку . Благодаря магнитным силам ротор начинает поворачиваться так, чтобы поток совпал с потоком . Когда оси потоков и сблизятся ДПР дают сигналы на переключение соответствующих элементов инвертора, благодаря чему возникает ток в фазе , а ток исчезает. Порядок индексов в обозначении тока соответствует его направлению в проводниках катушек. Поток якоря скачком переводится в положение , что вызовет дальнейший поворот против часовой стрелки. При сближении осей потоков и по сигналу ДПР элементы инвертора опять переключаются, возникает ток в катушке фазы , фаза отключается, создаётся очередное скачкообразное перемещение на в положение , что приводит к дальнейшему повороту ротора, затем создаётся ток и т. д. Обычно на роторе ВД имеются высокопроводящие катушки (демпферные обмотки, полюсные наконечники и др.), которые согласно известному правилу Ленца стремятся ослабить изменение магнитного потока в роторе. Поэтому скачкообразное перемещение потока относительно ротора сглаживаются и для ВД средней и большой мощности можно полагать, что поток якоря вращается равномерно со средней скоростью ротора, т. е в МДС якоря превалирует первая гармоника, создающая синхронно вращающееся поле, а высшие гармоники МДС подавляются демпфирующими контурами.

Вращение ротора, в свою очередь приводит к наведению в обмотках якоря ЭДС вращения, которая, как известно пропорциональна частоте вращения ротора и потоку. Форму кривой ЭДС вращения в первом приближении можно считать синусоидальной. ЭДС вращения подобно ЭДС коллекторных двигателей и синхронных двигателей, стремится скомпенсировать приложенное к якорю напряжение.

Неудовлетворительные удельные показатели (масса на еди­ницу полезной мощности) и низкий КПД электродвигателей пе­ременного тока малой мощности обусловили преимущественное применение в приводах роботов электродвигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Эти двигатели обладают наилучшими энергетическими показателями по срав­нению с другими типами электрических машин по следующим причинам:

— поток возбуждения создается полем постоянных магнитов, а не за счет энергии источника;

— электромагнитный момент в двигателе благодаря щеточно-коллекторному узлу достигает наибольшего значения при фиксированном токе якоря, поскольку обеспечивается вза­имная ортогональность векторов магнитной индукции полюсов и МДС якоря.

Кроме того, электродвигатели постоянного тока обладают линейными механическими и регулировочными характеристи­ками при управлении по цепи якоря, что обеспечивает большой диапазон регулирования частоты вращения и, причем сравни­тельно простыми способами.

1. Вевюрко, И. А., Зубакин, С. И. Самолёты с полностью электрифицированным оборудованием// Итоги науки и техники. Электрооборудование транспорта. М: ВИНИТИ. 1986. № 6. С 1-112.

2. Дубенский, А. А. Бесконтактные двигатели постоянного тока. М.: Энергия, 1967.

3. Овчинников, И. Е., Лебедев, Н. И. Бесконтактные двигатели постоянного тока. Л.: Наука, 1979.

4. Балагуров, В. А., Гридин, В. М., Лозенко, В. К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1975.

5. Лутидзе, Ш. И., Тафт, В. А. Введение в динамику синхронных машин и машиннополупроводниковых систем. 1973.

6. Овчинников, И. Е. Энергетические характеристики бесконтактных двигателей и их оптимизация// Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами. Л.: Наука, 1972. С. 19-38.

Источник

Adblock
detector