Типы электрических машин, используемые в ВД

На практике в составе ВД применяются бесконтактные машины.

Наибольшее применение в ВД нашли три типа электрических машин (рис. 17.9):

а)	б)	в)
Рис. 14.9. Типы электрических машин, наиболее широко применяющихся в составе ВД

а) синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов (СМПМ) самых разнообразных конструкций, отличающиеся в основном конструкцией ротора (точнее - конфигурацией и расположением магнитов на роторе); один из примеров приведен на рис. 14.9 а;

Общие достоинства и недостатки СМПМ изложены в Разделе 13.9.

б) синхронно-реактивные машины (СРМ) (рис. 14.9 б);

в) индукторные машины с обмоткой возбуждения (ИМОВ) (рис. 14.9 в).

Основные достоинства и недостатки ВД с этими типами электрических машин:

Достоинство ВД с СМПМ: малые масса и габариты.

Недостаток ВД с СМПМ: высокая стоимость магнитов, что существенно при значительной мощности.

Достоинство ВД с СРМ: простота и технологичность конструкции.

Недостаток ВД с СРМ: сложность реализации бездатчикового управления, большая пульсация момента, вызванная тем, что в ВД с СРМ двигательный момент создают только токи одного направления.

Достоинство ВД с ИМ: возможность регулирования магнитного потока возбуждения.

Недостаток ВД с ИМ: проигрыш по массе и габаритам при работе в одной (фиксированной) точке механической характеристики (то есть в нерегулируемом приводе).

 

Сходство и различия с КДПТ

По характеристикам ВД является аналогом коллекторного двигателя постоянного тока. Функции коллектора у ВД выполняет инвертор, а функции щеток – датчик положения ротора.

Действительно, и коллектор и инвертор изменяют направление тока в проводниках секции обмотки якоря при переходе их из зоны действия полюса одной полярности в зону действия другой полярности. Информацию о том, какой полюс в данный момент времени взаимодействует с фазой, в коллекторных двигателях (у которых положение полюсов фиксировано) дает положение неподвижной щетки, а в ВД (у которых полюса перемещаются) – сигнал с датчика положения ротора.

У коллекторных ДПТ секции обмотки якоря присоединяются к коллекторным пластинам, а ВД через стойку инвертора из двух управляемых полупроводниковых ключей непосредственно к источнику питания постоянного тока.

Полная идентичность в характеристиках наблюдалась бы, если число стоек инвертора было равно числу пластин коллектора. На практике наиболее распространенным вариантом является трехфазный ВД и инвертор с тремя стойками ключей. Вследствие этого, в ВД наблюдается пульсация электромагнитного момента. Это можно причислить к недостаткам ВД.

 

14.5.5. Общие основные достоинства ВД:

- бесконтактность и отсутствие всех негативных свойств, связанных с щеточно-коллекторным узлом, присущих коллекторным ДПТ;

- простые способы регулирования частоты вращения в широком диапазоне;

- большой пусковой момент и перегрузочная способность.

Таким образом, ВД обладает основными достоинствами коллекторных ДПТ и АД и вместе с тем у него отсутствуют их основные недостатки.

 

14.5.6. Общие недостатки ВД:

- пульсация электромагнитного момента (с которой, однако, можно бороться);

- необходимость в позиционной обратной связи (усложнение конструкции и схемы управления).

 

Датчики положения ротора

Информация о положении ротора может поступать от явновыраженного датчика положения ротора (ДПР) или выявляться косвенно, путем обработки фазных напряжений (бездатчиковое управление).

При явно выраженном исполнении ДПР содержит:

- сигнальные (управляющие) элементы, располагающиеся на вращающейся части двигателя;

- чувствительные элементы, расположенные на неподвижной части.

Сигнальный элемент вырабатывает один из видов энергии (магнитной, световой, электрической – в зависимости от типа сигнального и чувствительного элемента).

При достижении СЭ определенного углового положения он входит во взаимодействие с чувствительным элементом, то есть бесконтактно воздействует на него энергией своего физического поля. В ЧЭ происходит преобразование этой энергии в электрический сигнал. Этот электрический сигнал поступает в систему управления инвертором и используется для управления коммутатором ВД.

Существует большое разнообразие ДПР.

ДПР индуктивного типа, содержащие катушку индуктивности, подключенную к источнику тока высокой частоты. При повороте ротора меняется степень насыщения магнитной системы датчика, изменяется индуктивность обмоток, что позволяет получить сигнал о положении ротора.

Недостаток: низкая технологичность конструкции, относительно большие габаритные размеры, потребность в источнике переменного тока высокой частоты.

Оптические ДПР, состоящие из светоизлучающего элемента, фоточувствительного приемника и непрозрачного диска с отверстиями.

Наибольшее распространение получили гальваномагнитные ДПР на основе датчиков Холла. Выходное напряжение с датчика Холла определяется магнитным потоком, пронизывающим элемент Холла.

Достоинства:

Высокая чувствительность, работа в широком диапазоне рабочих температур (-60°С - +150°С), простота конструкции.

Обычно элементы Холла устанавливаются либо в пределах статора специальной магнитной системы ДПР, либо в пределах магнитной цепи двигателя.

В системах, где наличие явновыраженного ДПР приводит к снижению надежности и экономичности электропривода, применяются бездатчиковые способы управления, основанные на обработке сигналов фазных или линейных ЭДС.

Действительно, от положения ротора зависит мгновенное значение ЭДС вращения, которое как одно из слагаемых входит в значение напряжения фазы.

Проще всего выделить ЭДС вращения из напряжения, если измерение ЭДС производить в интервале, когда по фазе ток не течет. Для ряда алгоритмов управления такой интервал в работе двигателя присутствует.

Такой способ получения информации о положении ротора имеет и недостатки:

1) Не обеспечивается сигнал при неподвижном роторе (ЭДС=0) (а он необходим при пуске ВД).

2) Слабая помехозащищенность [9].

3) Сложная логика обработки информации, исключающая ложные срабатывания.

 

Области применения

Практически во всех областях, где ранее использовались коллекторные ДПТ, в настоящее время предпринимаются попытки заменить их на ВД. Также рассматриваются возможности замены асинхронных двигателей на ВД в областях, где требуется регулирование скорости вращения двигателя.

Линейные двигатели

Определение

Линейный двигатель – электродвигатель, у которого подвижный элемент выполняет поступательные (линейные) движения.

 

14.6.2. Отличия от обычных электродвигателей:

а) движение подвижного (вторичного) элемента – поступательное, а не вращательное, как у подвижного элемента (ротора) обычного электродвигателя;

б) обмотка статора линейного двигателя создает бегущее (а не вращающееся) магнитное поле.