Что такое вентильный двигатель постоянного тока

Основные технические особенности вентильных двигателей

Для решения задач контролируемого движения в современных прецизионных системах все чаще применяются вентильные (бесколлекторные) двигатели. Такая тенденция обусловлена преимуществами вентильных двигателей и бурным развитием вычислительных возможностей микроэлектроники. Как известно, вентильные (синхронные) двигатели обеспечивают наиболее высокие плотность длительного момента (момент в единице объема) и энергетическую эффективность по сравнению с любым другим типом двигателя.

Современный вентильный привод объединяет электрическую, механическую и электронную подсистемы в единое цельное мехатронное устройство. В рамках такого подхода удается значительно сократить габариты, избавиться от лишних преобразователей и промежуточных элементов, а значит, повысить надежность всего привода в целом.

В рамках данной статьи рассматривается принцип работы и устройство современных вентильных машин, описываются принципы управления вентильным преобразователем для коммутации с применением датчиков положения ротора, а также перечисляются особенности интегрированного исполнения вентильных двигателей.

Устройство и работа

В целом вентильные двигатели включают в себя три подсистемы:

1. Электронную.
2. Механическую.
3. Электрическую.

В результате получается мехатронное устройство, которое позволяет сделать корпус более компактным, избавиться от дополнительных деталей, лишних преобразователей, а соответственно сделать весь привод механизма более надежным.

Вентильный электродвигатель представляет собой измененный вариант коллекторного мотора постоянного тока. Мотор имеет индуктор, расположенный на роторе, обмотка якоря находится на статоре. Электричество подается управляющими командами на статорные обмотки, в зависимости от угла поворота ротора, который определяется встроенными датчиками Холла.

Ротор

Основу этого элемента составляет многополюсный постоянный магнит, который может иметь разное количество пар полюсов (от 2 до 8), с чередованием полюсов. Поначалу для производства роторов применяли ферритовые магниты невысокой стоимости. Однако ферритовые магниты имеют недостаток в том, что у них низкое значение магнитной индукции.

Современные конструкции роторов оснащают магнитами, изготовленными из редкоземельных элементов. Они дают возможность получить большую магнитную индукцию, а также сделать ротор более компактным.

Статор

Вентильный электродвигатель обычно имеет статор, состоящий из 3-х обмоток, соединенных «звездой» без отвода от средней точки, и внешне похожий на статор асинхронного мотора. Существуют вентильные двигатели со статором с большим количеством обмоток, а кроме схемы «звезды» их могут соединять «треугольником». Трехфазная структура обмоток считается наиболее эффективной при наименьшем количестве обмоток.

Если сравнивать две рассмотренные схемы соединения, то схема «звезды» предполагает больший момент вращения и меньшие показатели противо-ЭДС, в отличие от схемы «треугольника». Поэтому «звезду» чаще всего применяют для получения больших крутящих моментов, а «треугольник» — больших скоростей вращения.

Датчики положения и термодатчик

Этот чувствительный элемент создает обратную связь, и определяет положение ротора. Такие датчики могут работать по разным принципам – эффекта Холла, фотоэлектрическому и т.д. Большое распространение получили фотоэлектрические и датчики Холла. Они не имеют инерционности и дают возможность работы без запаздывания при определении положения ротора.

Фотоэлектрический датчик в его стандартном виде имеет три стационарных фотоприемника. Они по очереди закрываются шторкой, которая крутится синхронно ротору. Двоичный код, поступающий от датчиков, фиксирует шесть разных положений ротора. Управляющее устройство преобразует сигналы датчиков в управляющие импульсы напряжений, которые в свою очередь управляют полупроводниковыми ключами.

В каждый рабочий такт мотора включены два силовых ключа, и к электроэнергии подключены две обмотки из трех. Якорные обмотки расположены со сдвигом 120 градусов, и соединены между собой так, что при управлении силовыми ключами образуется вращающееся магнитное поле.

Дополнительно в вентильном двигателе могут иметься термодатчик, тормозной механизм. Тахогенератор используется в случае работы мотора в режиме стабилизации скорости с большой точностью.

Термодатчик служит для предохранения обмоток от перегрева, и включает в себя несколько позисторов, соединенных друг с другом между собой последовательно. Позисторы – резисторы, сопротивление которых зависит от температуры, чем больше температура, тем выше их сопротивление.

Принцип действия

Контроллер вентильного двигателя подключает обмотки статора так, что направление магнитного поля статора всегда перпендикулярно направлению поля ротора. Благодаря широтно-импульсной модуляции контроллер управляет током, который проходит по обмоткам. В результате создается момент вращения ротора, который регулируется.

Виды

Вентильные двигатели бывают постоянного и переменного тока. Кроме того, их разделяют на виды по числу фаз:

• Однофазные . Это наиболее простая конструкция вентильных двигателей с минимальным числом связей между электронной системой и мотором. К недостаткам однофазных двигателей относятся большие пульсации, невозможность пуска при некоторых положениях ротора. Однофазные моторы широко используются в механизмах, где необходима высокая скорость работы.
• Двухфазные . Такие вентильные двигатели работают в механизмах, где обязательно наличие связи обмотки и статора. К недостаткам можно отнести большой момент вращения и сильные пульсации, способные привести к отрицательным последствиям.
• Трехфазные . Эта дисковая конструкция мотора применяется для создания момента вращения, не применяя для этого большое число фаз. Этот вид моторов используется во многих отраслях промышленности, а также в бытовых условиях. Это наиболее распространенная конструкция, по сравнению с другими. Трехфазные двигатели вентильного типа, имеющие четное количество полюсов, стали хорошим вариантом для устройств, где требуется сочетание небольшой скорости и высокой мощности. Недостатками 3-фазных вентильных моторов является высокий уровень шума.
• 4-фазные . У таких двигателей значительно уменьшен момент вращения и пульсаций. Используются они достаточно редко, так как они имеют высокую стоимость.

Вентильные двигатели применяются во многих областях производства, например, на буровых установках, в системах охлаждения на химических заводах, на нефтяных скважинах.

Варианты конструкции двигателя

Обмотка двигателя может иметь различную конструкцию. Обмотка классической конструкции наматывается на стальной сердечник. Другой вариант конструкции обмотки – это обмотка без стального сердечника. Проводники этой обмотки равномерно распределяются вдоль окружности статора. Характеристики обмотки получаются различными, что отражается и на характеристиках двигателя. Кроме того, обмотки могут быть выполнены на различное число фаз и с различным количеством пар полюсов.

Бесколлекторные двигатели также могут иметь конструкции, различающиеся по взаимному расположению ротора и статора. Наиболее распространена конструкция, когда ротор охватывается статором снаружи – двигатели с внутренним ротором. Но также возможна, и встречается на практике конструкция в которой ротор расположен снаружи статора – двигатели с внешним ротором. Третий вариант – статор расположен параллельно ротору и оба располагаются перпендикулярно оси вращения двигателя. Такие двигатели называют двигателями аксиальной конструкции.

Датчик положения, который измеряет угловое положение ротора двигателя — это важная часть приводной системы, построенной на бесколлекторном двигателе. Этот датчик может быть самым разным как по типу, так и по принципу действия. Традиционно используемый для этой цели тип датчиков – датчики Холла с логическим выходом, устанавливаемые на каждую фазу двигателя. Выходные сигналы этих датчиков позволяют определить положение ротора с точностью до 60° — достаточной реализации самых простых способов управления обмотками. Для реализации способов управления двигателем, предполагающих формирование на обмотках двигателя системы синусоидальных напряжений при помощи ШИМ необходим более точный датчик, например, энкодер. Инкрементные энкодеры, очень широко используемые в современном электроприводе, могут обеспечить достаточно информации о положении ротора только при использовании их вместе с датчиками Холла. Если бесколлекторный двигатель оснащён абсолютным датчиком положения – абсолютным энкодером или резольвером (СКВТ), то датчики Холла становятся не нужны, так как любой из этих датчиков обеспечивает полную информацию о положении ротора.

Можно управлять бесколлекторным двигателем, и не используя датчика положения ротора – бездатчиковая коммутация. В этом случае информация о положении ротора восстанавливается на основании показаний других датчиков, например, датчиков фазных токов двигателя или датчиков напряжения. Такой способ управления часто влечёт за собой ряд недостатков (ограниченный диапазон скоростей, высокая чувствительность к параметрам двигателя, специальная процедура старта), что ограничивает его распространение.

Управление двигателем

Контроллер ВД регулирует момент действующий на ротор меняя величину ШИМ.

В отличие от щёточного электродвигателя постоянного тока, коммутация в ВД осуществляется и контролируется с помощью электроники.

Распространены системы управления, реализующие алгоритмы широтно-импульсного регулирования и широтно-импульсной модуляции при управлении ВД.

Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования скорости — у двигателей с векторным управлением. С помощью преобразователя частоты осуществляется регулирование скорости двигателя и поддержание потокосцепления в машине на заданном уровне.

Особенность регулирования электропривода с векторным управлением — контролируемые координаты, измеренные в неподвижной системе координат преобразуются к вращающейся системе, из них выделяется постоянное значение, пропорциональное составляющим векторов контролируемых параметров, по которым осуществляется формирование управляющих воздействий, далее обратный переход.

Недостатком этих систем является сложность управляющих и функциональных устройств для широкого диапазона регулирования скорости.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами электрических машин, вентильный двигатель имеет ряд качественных отличий, дающих ему как выгодное, превосходство, так и определенные недостатки.

К преимуществам вентильных двигателей относят:

• Относительно небольшая величина магнитных потерь из-за отсутствия постоянно действующего поля, как в классических синхронных и асинхронных электродвигателях.
• Обеспечивает безопасное вращение даже с максимальной нагрузкой, в отличии от коллекторных электродвигателей.
• За счет встроенного преобразователя частоты коммутация вентильного преобразователя обеспечивает широкий спектр скоростей вращения, которые отличаются плавным переходом от одной к последующей.
• Хорошая динамика работы и точность позиционирования, способная создать конкуренцию шаговым двигателям.
• Относительно большая степень надежности и длительный срок эксплуатации без обслуживания за счет отсутствия скользящего контакта, в отличии от коллекторных двигателей.
• Может применяться во взрывоопасной среде, в отличии от электродвигателей постоянного и переменного тока со щетками.

К недостаткам вентильных агрегатов следует отнести их высокую себестоимость, наличие дополнительных элементов, усложняющих последующую эксплуатацию. Также существенным минусом считается сложность управления и задания логики перемещения рабочих органов трехфазных бесколлекторных двигателей в соответствии с меняющимися факторами производственного процесса.

Вентильные двигатели постоянного тока

Все двигатели постоянного тока можно назвать бесколлекторными. Они работают от сети с постоянным током. Щеточный узел предусмотрен для электрического объединения цепей ротора и статора. Такая деталь является самой уязвимой и достаточно сложной в обслуживании и ремонте.

Вентильный двигатель постоянного тока работает по тому же принципу, что и все синхронные устройства такого типа. Он представляет собой замкнутую систему, включающую силовой полупроводниковый преобразователь, датчик положения ротора и координатор.

Принцип действия

Если у шагового двигателя на статоре имеется две пары полюсов с двумя обмотками управления, то его вращение будет зависеть от подачи напряжения на обмотку управления. При подаче сигнала на обмотку управления, которая находится на первой паре, ротор повернётся и займёт положение по ее оси. Когда на обмотке второй пары полюсов появится сигнал, ротору придётся занять положение между этими полюсами.

При отключении сигнала на обмотке первой пары и оставшемся сигнале на обмотке управления второй пары полюсов ротор повернётся на их ось. Таким образом, при вращении он как будто будет совершать шаги, поэтому и носит такое название. Шаги двигателя (угол поворота ротора) с двумя парами полюсов будут равняться 45 градусам. Система коммутации будет четырехтактной.

Для двухтактной системы коммутации при таком же количестве пар полюсов необходимо, чтобы сигнал поступал всегда только на одну определённую обмотку управления конкретной пары полюсов. Тогда и угол поворота ротора изменится и будет составлять 90 градусов.

Чтобы принцип работы шагового двигателя был понятен даже для чайников, необходимо обратить внимание на схему.

Ротор будет занимать положение в пространстве против той пары полюсов, на обмотке которой будет подано питание. Если же питание подано две на обмотки соседних полюсов, ротор займёт положение между ними. Чем меньше значение шага двигателя, тем точнее и устойчивее его работа.

Для работы шагового двигателя необходим коммутатор. Его задачей является превращение импульсов управления определённой последовательности в прямоугольные импульсы в системе с необходимым количеством фаз.

При большой нагрузке на двигатель точность поворота ротора будет нарушена. Он будет поворачиваться с некоторым отставанием, которое является углом статической ошибки. При холостом ходе шагового двигателя значение угла статической ошибки равно нулю.

Так как скорость протекания процессов работы обратно пропорциональна сопротивлению управляющих обмоток, то для того, чтобы ускорить вращение ротора, применяются резисторы. Их присоединяют последовательно в цепь управляющих обмоток статора. Оценивают экономичность работы по основному показателю — значению мощности на входе.

Читайте также

Электродвигатели переменного тока

Электродвигатели переменного тока Вопрос. Что входит в объем испытаний электродвигателей переменного тока?Ответ. В объем испытаний входит:определение возможности включения без сушки;измерение сопротивления изоляции;испытание повышенным напряжением промышленной

Вентильные разрядники и ограничители перенапряжений

Вентильные разрядники и ограничители перенапряжений Вопрос. Что входит в объем испытаний вентильных разрядников и ограничителей перенапряжения?Ответ. В объем испытаний входит:измерение сопротивления разрядников и ограничителей перенапряжения;измерение тока

Глава 5.3. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ И ИХ КОММУТАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ

Глава 5.3. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ И ИХ КОММУТАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ Область применения Вопрос. На какие электродвигатели и коммутационные аппараты распространяется настоящая глава Правил?Ответ. Распространяется на электродвигатели и их коммутационные аппараты, размещаемые в

Электродвигатели, коммутационные аппараты

Электродвигатели, коммутационные аппараты Вопрос. Какую блокировку должны иметь коммутационные устройства электродвигателей напряжением выше 1 кВ?Ответ. Должны иметь блокировку, не допускающую: отключение разъединителя под нагрузкой; включение разъединителя при

1.8.15. Электродвигатели переменного тока

1.8.15. Электродвигатели переменного тока Вопрос 46. В каком случае электродвигатели напряжением выше 1 кВ включаются без сушки?Ответ. Включаются без сушки, если значение сопротивления изоляции и коэффициента абсорбции не ниже указанных в табл. 1.8.9 (п. 1).Таблица 1.8.9Допустимые

1.8.31. Вентильные разрядники и ограничители перенапряжений[2]

1.8.31. Вентильные разрядники и ограничители перенапряжений[2] Вопрос 133. На каких разрядниках и ОПН и какими измерительными приборами проводится измерение сопротивления?Ответ. Измерение проводится:на разрядниках и ОПН с номинальным напряжением менее 3 кВ – мегаомметром на

3.6. ТРЕХФАЗНЫЕ СИСТЕМЫ И АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

3.6. ТРЕХФАЗНЫЕ СИСТЕМЫ И АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ В то время как Н. Тесла и его сотрудники пытались усовершенствовать двухфазную систему, в Европе была разработана более совершенная электрическая система — трехфазная. Изучение документальных материалов