Бесконтактные электродвигатели постоянного тока

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 20Следующая ⇒

Настоящему уровню развития электрических следящих систем с переменной скоростью перемещения ИМ наиболее соответствуют бесконтактные электродвигатели постоянного тока (БДПТ).

В следящих системах применяются синхронные БДПТ с постоянными магнитами на роторе [13], [18].

Например, такие электродвигатели используются в системе управления частотой вращения главного судового малооборотного дизеля, разработанной фирмой Конгсберг (Норвегия) [21].

Отличие бесконтактных электродвигателей постоянного тока БДПТ от коллекторных электродвигателей состоит в том, что у БДПТ щеточно-коллекторный узел заменен полупроводниковым коммутатором, который управляется сигналами, поступающими от датчиков положения ротора.

К достоинствам БДПТ относятся:

- возможность плавного регулирования частоты вращения электродвигателя и, следовательно, скорости перемещения исполнительного механизма (и регулирующего органа);

-  высокая безотказность и долговечность, что объясняется отсутствием щеточно-коллекторного узла;

- более высокий КПД по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока, что объясняется отсутствием электрических потерь в щеточном контакте и механических потерь в коллекторе;

- способность работать в условиях широкого диапазона температур окружающей среды и в средах с большой влажностью.

Бесконтактные электродвигатели постоянного тока состоят из трех основных частей (рис. 13.1):

- собственно электродвигателя,

- датчиков положения ротора,

- коммутатора, подающего в необходимой последовательности питание на электродвигатель.

Рабочая обмотка двигателя (обмотка якоря) расположена на сердечнике статора, а на роторе имеется постоянный магнит. Обмотки статора соединены звездой.

В системах регулирования обычно применяются трехфазные БДПТ, которые имеют достаточно простое устройство и допустимые пульсации момента и частоты вращения.

Общий вид трехфазного БДПТ и его функциональная схема показаны на рис. 13.1.

Электродвигатель снабжен тремя датчиками положения ротора (ДПР), сигналы от которых поступают в коммутатор.

ДПР выдают сигналы положения полюсов постоянного магнита ротора относительно секций обмоток якоря.

Коммутатор подключает обмотки якоря к источнику постоянного тока в соответствии с положением полюсов постоянного магнита якоря. В результате магнитное поле статора вращается со средней скоростью, равной средней скорости вращения ротора.

Коммутатор в данном случае является усилителем регулятора.

Управление частотой и направлением вращения БДПТ производится сигналом U у, поступающим на коммутатор с предыдущего элемента регулятора. Этим элементом, как правило, является последовательное корректирующее устройство, формирующее какой-либо из типовых законов регулирования.

Рассмотрим работу трехфазного БДПТ, в которо ехфазного 22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222м для определения положения ротора применяют 3 датчика Холла. Сигнал на выходе датчика появляется при прохождении мимо него полюса N магнитного диска, закрепленного на одном валу с ротором двигателя (рис. 13.1).

Сигналы датчиков сдвинуты относительно друг друга на 120° и сигнал каждого датчика длится 180° угла поворота ротора.

Это позволяет удерживать ключи инвертора в замкнутом состоянии 120° при сдвиге замыкания ключей на 60° и, тем самым, подавать соответствующее напряжение на обмотки статора.

Таким образом, состояние двигателя (подключение обмоток статора к источнику питания) определяется углом поворота ротора. Двигатель переходит из одного состояние в последующее при повороте ротора на 60°.

Следовательно, двигатель может находиться в одном из 6 состояний, представленных на рис. 13.2. Для наглядности на рис. 13.2 показано, что напряжение от источника питания U подается на обмотки статора через контактные ключи. Ключи Ka +, Kb +, Kc + подсоединяют обмотки с положительной полярностью источника тока, а Ka -, Kb -, Kc -   – с отрицательной.

Рис. 13.1 Внешний вид и функциональная схема бесконтактного
электродвигателя постоянного тока.

В каждом состоянии:

- имеется сигнал на выходе одного датчика положения ротора или одновременно двух датчиков,

- к источнику питания одновременно подключены последовательно две обмотки статора.

В качестве исходного состояния БДПТ принято состояние, показанное на рис. 13.2a. Характеристика данного состояния приведена в первой строке таблицы 1.

При данном положении ротора в зоне магнитного полюса N ротора находятся датчики Sa и Sc, по сигналам которых замыкаются ключи Ka + и Kb -. В обмотках фаз A и B появляется ток, который протекает последовательно от положительной полярности источника питания через обмотку A, точку соединения всех обмоток O и через обмотку B. Соответствующие полюса обмоток статора получают магнитные полярности S и N. В результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора возникает магнитный момент, вращающий ротор по часовой стрелке.

После поворота ротора на угол 60° в зоне магнитного полюса N ротора останется только датчик Sa, размыкается ключ Kb - и замыкается ключ Kc -.

Магнитные полюса статора будут создаваться обмотками А и C так, что это вызовет последующий поворот ротора по часовой стрелке.

Поведение БДПТ при дальнейшем повороте ротора может быть установлено по рис. 13.2 и таблице 13.1.

Таблица 13.1

Состояния трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока
(при вращении ротора по часовой стрелке)

Рис. 13.2 Состояния трехфазного бесконтактного электродвигателя
      постоянного тока (вращение по часовой стрелке).

Временная диаграмма работы датчиков, ключей и обмоток трехфазного БДПТ приведена на рис. 13.3.

Рис. 13.3 Временная диаграмма работы датчиков, ключей и обмоток
трехфазного БДПТ (120-ти градусная модуляция,
вращение по часовой стрелке).

До сих пор рассматривалась работа БДПТ по наиболее простому способу 120-ти градусной модуляции [1]. В этом случае ток протекает только через две обмотки в течение 120°, а затем следует пауза 60°. Следовательно, каждая обмотка работает 2/3 периода, и мощность двигателя также используется на 2/3.

Указанные недостатки могут быть устранены применением 180-ти градусной модуляции [2], когда ток протекает одновременно по всем трем обмоткам. Временная диаграмма работы БДПТ для этого способа приведена на рис. 13.4.

Рис. 13.4 Временная диаграмма работы датчиков, ключей и обмоток
трехфазного БДПТ (180-ти градусная модуляция).

В течение первых 60° ток втекает через обмотки А и С (токи Ia и Ic) и вытекает через обмотку В (ток Ib). Далее переключается обмотка С и на следующие 60° ток втекает через обмотку А и вытекает через обмотки В и С. Переключение обмоток при остальных углах поворота ротора происходит аналогично. При таком способе модуляции все три обмотки работают одновременно, внося свой вклад в создание вращающего момента ротора.

Коммутатор БДПТ (рис. 3.5) составляют два модуля:
- инвертор,
- контроллер.

Трехфазный инвертор управляет подачей напряжения на фазовые обмотки А, В, С. Ключами инвертора, как правило, являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT транзисторы) [14].

Рис. 13.5 Схема БДПТ с транзисторным инвертором.

Функции ключей Ka +, Kb +, Ka +, Ka -, Kb -, Kc -, соединяющих обмотки статора с источником постоянного напряжения U (см. рис. 3.5), выполняют 6 силовых транзисторов VT 1 – VT 6. Транзисторы VT 1, VT 3, VT 5 подсоединяют обмотки с положительной полярностью источника, а VT 2, VT 4, VT 6 – с отрицательной.

Параллельно каждому транзистору подключен обратный диод, который создает цепь для протекания тока, создаваемого ЭДС самоиндукции отключенной обмотки [13].

Контроллер управляет включением и выключением транзисторов в зависимости от величины и знака управляющего сигнала U у. Алгоритмы управления БДПТ формируемые в контроллере рассмотрены далее. Контроллеры, как правило, изготовляются на микропроцессорах, позволяющих реализовать достаточно сложные алгоритмы управления БДПТ и выполнять их с необходимым быстродействием.

Познавательные статьи:



Формы дистанционного обучения

Передача мяча двумя руками снизу

Значение правильной осанки для жизнедеятельности человека

Основные ошибки при выполнении передач мяча на месте