Вентильный двигатель

В обычном коллекторном двигателе постоянного тока якорь является ротором, а постоянные магниты расположены на статоре. Такую конструкцию очень трудно реализовать в вентильном двигателе постоянного тока.

Конструкция современного вентильного двигателя близка к конструкции двигателя переменного тока. Однако общепринятой и наиболее эффективной конструкцией является трёхфазная конструкция двигателя, работающая при двухполупериодном управлении. Вентильные двигатели постоянного тока отличаются от СД примерно тем, что содержат некоторые технические средства определения положения ротора с целью выработки сигналов управления полупроводниковыми ключами.

Наиболее распространённым датчиком положения является элемент Холла. Иногда используют оптические датчики положения.

Трёх фазный вентильный двигатель постоянного тока с однополупериодной схемой управления.

Схема показана на рисунке 8.1

Рисунок 8.1

Фототранзисторы расположены под 120 градусов на перефирии плат и при вращении последовательно освещаются с помощью вращающегося затвора установленного на валу двигателя.

На рисунке южный полюс ротора расположен напротив неподвижного полюса Р2 статора.

Осветление ФТ1 включает VT1, на полюсе Р1 создаётся южный полюс за счёт протекания тока по обмотке. Северный полюс ротора притягивается, ротор поворачивается против часовой стрелки.

При повороте ротора его южный полюс оказывается против неподвижного полюса. Затвор, установленный на низ ротора затемняет PT1 и освещает PT2, включается VT2. Ток, протекающий по обмотке W2 создаёт южный полюс на неподвижном полюсе Р2, северный полюс ротора повернётся по стрелке и расположиться напротив неподвижного полюса P2.

В этот момент затемняется РТ2 и освещается РТ3, что обесточивает обмотку W2 и включает обмотку W3.

Поэтому неподвижный полюс Р3 намагничивается и становиться южным полюсом. В современных микроприводах к двигателям предъявляются всё более жёсткие требования. С одной стороны они должны обладать высокой надёжностью и простотой конструкции. С другой стороны – должны обладать простотой и большим диапазоном регулирования частоты вращения как двигателей постоянного тока.

Двигатели с электронными схемами управления или вентильные двигатели, в полной мере соответствуют этим требованиям.

Вентильным называется двигатель, в котором коммутации секций (фаз) обмотки статора осуществляется с помощью полупроводников коммутатора управляемого сигналами датчика положения ротора.

Эти двигатели не имеют недостатков, присущих асинхронного двигателя (потребление реактивной мощности, потери в роторе) и синхронным двигателям (пульсация частоты вращения, выпадения из синхронизма).

Вентильные двигатели являются бесконтактными машинами постоянного тока. С возбуждением от постоянных магнитов с одно – или многообмоточным статором. Коммутация обмоток статора осуществляется в зависимости от положения ротора. В состав электрической схемы управления входят датчики положения ротора.

Вентильные двигатели используются в высококачественных приборах и аппаратах: магнитолы, видеомагнитофоны, в устройствах обработки информации, в измерительной технике, в электроприводах электробытовых приборов.

Вентильные двигатели используются в тех электроприводах, в которых требуется обеспечить с высокой точностью позиционирование ротора и связанного с ним рабочего органа. В этом случае они успешно конкурируют с шаговыми двигателями.

В бесколлекторном варианте вентильного двигателя на роторе расположены постоянные магниты, создающие магнитный поток возбуждения, а обмотка якоря расположена на статоре.

Питание обмотки статора осуществляется таким образом, что между её МДС и потоком возбуждения сохраняется смещение в 90 градусов.

При вращении ротора такое положение может сохраняться в результате переключения обмоток статора.

При переключении должны выполняться два условия, согласно которым обмотки статора должны переключаться в определённый момент времени и в заданной последовательности.

Положение ротора определяется с помощью датчика положения, например, датчика Холла.

Датчик положения управляет работой электронных ключей (транзисторов).

Электронная схема составляет неотъемлемую часть бес коллекторного вентильного двигателя, поскольку без неё возможна её нормальная работа.

При увеличении количества обмоток на статоре резко повышается сложность электронной схемы управления.

Поэтому в таких двигателях обычно используют не более 4 обмоток.

Дешёвые конструкции двигателей содержат одну обмотку.

Рабочие характеристики вентильного двигателя рисунок 8.2.

Рисунок 8.2

1- нерегулируемая характеристика,

2- регулируемая характеристика

Так как вентильный электрический двигатель работает с собственной тактовой частотой отсюда частота вращения ротора может быть выбрана любой.

Чем выше частота вращения ротора, тем больше значение имеет ЭДС обмотки, направленная встречно напряжение питания, что приводит к снижении тока в ней. Двигатель будет увеличивать частоту вращения до тех пор, пока момент двигателя не станет равным моменту нагрузки. Двигатель переходит в стационарный режим.

Рабочие характеристики вентильного электродвигателя практически совпадают с характеристиками ДПТ независимого возбуждения. При повышении нагрузки частота вращения ротора снижается. Связь между током и моментом носит линейный характер. Момент двигателя зависит от нагрузки по току и от индукции магнитного поля в воздушном зазоре.

Частота вращения двигателя зависит от количества витков обмотки статора. При понижении количества витков ток двигателя достигает номинального значения при большей частоте вращения.

Принцип действия.

Однообмоточный двигатель с одним импульсом тока.

Рисунок 8.3

На статоре расположена одна обмотка, которая подключается к напряжению питания U с помощью транзистора VT1.

Ротор выполнен из постоянного магнита и имеет одну пару полюсов. Управляющий сигнал на базу транзистора подаётся датчиком Холла. Сигнал на выходе датчика Холла формируется либо с помощью дополнительного постоянного магнита установленного на роторе, либо с помощью постоянного магнита ротора.Если датчик Холла попадёт в магнитное поле, то на его выходе появляется напряжение Uн, которое и используется для включения транзистора.

Датчик Холла включен в цепь базы транзистора таким образом, что при появлении напряжения Uн транзистор открывается. Через обмотку статора начинает протекать ток, и он создаёт МДС F, направленную от правого к левому полюсу статора.

Рисунок 8.4

К началу коммутации магнитный поток Фротора направлен в противоположную сторону (сплошная стрелка) К моменту отключения обмотки ротор займёт новое положение (штриховая стрелка) среднее значение угла между F1и Фсоставляет 90 градусов.

По обмотке статора протекает импульсный ток, который также можно разложить на постоянную и переменную составляющую. Для определения вращающего момента достаточно учесть постоянную составляющую и первую гармонику переменной составляющей.

Предполагается, что линейная нагрузка по току синусоидальная.

Индукция В магнитного поля распространяется также синусоидально

выражение для вращающего момента имеет вид

Момент двигателя включает в себя три составляющие: вращающаяся вместе с ротором волна линейной нагрузки по току создаёт не изменяющийся его времени полезный момент; вращающаяся в обратном направлении волна линейной нагрузки по току создаёт пульсирующий момент удвоенной частоты и постоянную составляющую этого момента, меняющуюся с частотой напряжения питания.

Двух обмоточный двигатель с двумя импульсами тока.

Рисунок 8.5

На статоре двигателя расположены две обмотки 1 и 2, по которым либо протекают токи противоположных знаков, либо они имеют различные направления намотки. Обмотки коммутируются с помощью транзисторов Т1 и Т2. Коммутация обмотки 1 была описана ранее. Коммутация обмотки 2 осуществляется с помощью импульса напряжения обратной полярности.

При закрытом в этот момент времени транзисторе Т1 открывается транзистор Т2 и по обмотке 2 протекает ток. Обмотка 2 имеет направления намотки противоположное обмотке 1, отсюда обмотка 2 создаёт намагничивающую силу, направленную в противоположную сторону.

Рисунок 8.6

Вектор МДС Q1 направлен слева направо (смотри рисунок 8.6).

В момент включения обмотки 2 магнитный поток ротора Ф2 направлен в сторону, обозначенную сплошной стрелкой, к моменту отключения.

Обмотки 2 ротор занимает положение, обозначенное штриховой стрелкой.

Так обмотки статора не содержат теперь постоянной составляющей отсюда имеется только пульсирующая с частотой w переменная составляющая момента двигателя.

Полный момент на валу электрического двигателя состоит из неизменного по времени полезного момента и пульсирующего момента удвоенной частоты.

Трёхобмоточный двигатель с однополупериодным питанием.

Схема включения трёхобмоточного двигателя с трех импульсным питанием рисунок 8.6.

Рисунок 8.7

На статоре имеются 3 обмотки (1, 2, 3) расположенные под углом 120 градусов, каждая подключается к источнику питания с помощью транзисторного ключа.

Для управления Т1,Т2, Т3. используются три датчика Холла.

По каждой из обмоток ток протекает в течение 1/3 периода изменения тока. Эти три тока можно разложить на постоянную и переменную составляющие. Основная гармоника, обусловленная токами I1,I2,I3, участвует в создании независимого от времени момента. Кроме того, в кривой момента присутствует пульсирующий момент, созданный высшими гармониками токов I1,I2,I3.

1. Четырех обмоточный двигатель с однополупериодным питанием. (с четырех импульсным питанием)

Рисунок 8.8

Дата добавления: 2014-01-13