Бесконтактные электродвигатели постоянного тока

 

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)

№ сост.	Угол поворота ротора, гр.	Сигналы датчиков положения ротора			Замкнутые ключи		Напряжение на обмотках фаз
		Sa	Sb	Sc	+	-	A	B	C
a	0 (360)	1	0	1	Ka+	Kb-	+	-	0
b	60	1	0	0	Ka+	Kc-	+	0	-
c	120	1	1	0	Kb+	Kc-	0	+	-
d	180	0	1	0	Kb+	Ka-	-	+	0
e	240	0	1	1	Kc+	Ka-	-	0	+
f	300	0	0	1	Kc+	Kb-	0	-	+

 

 

 

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.