1. статор [ правити | правити код ]
2. ротор [ правити | правити код ]
3. Датчик положення ротора [ правити | правити код ]
4. Система управління [ правити | правити код ]

open wikipedia design.

Вентильний електродвигун (ВД) - це різновид електродвигуна постійного струму , у якого щітково-колекторний вузол (ЩКУ) замінений напівпровідникових комутатором , Керованим датчиком положення ротора [1] .

Механічна і регулювальна характеристики вентильного двигуна лінійні і ідентичні механічної і регулювальної характеристикам електродвигуна постійного струму. Як і електродвигуни постійного струму, вентильні двигуни працюють від мережі постійного струму. ВД можна розглядати як двигун постійного струму, в якому щітково-колекторний вузол замінений електронікою , Що підкреслюється словом «вентильний», тобто «керований силовими ключами »( вентилями ). фазні струми вентильного двигуна мають синусоидальную форму. Як правило, в якості підсилювача потужності застосовується автономний інвертор напруги з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ).

Вентильний двигун слід відрізняти від бесколлекторного двигуна постійного струму (БДПС), який має трапецієподібно розподіл магнітного поля в зазорі і характеризується прямокутної формою фазних напруг. Структура БДПС простіше, ніж структура ВД (відсутній перетворювач координат, замість ШІМ використовується 120- або 180-градусна комутація, реалізація якої простіше ШІМ).

У російськомовній літературі двигун називають вентильним, якщо протидії ЕРС керованої синхронної машини синусоїдальна, а безколекторним двигуном постійного струму, якщо протидії ЕРС трапецеїдальних.

В англомовній літературі такі двигуни зазвичай не розглядаються окремо від електроприводу і згадуються під абревіатурами PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) або BLDC (Brushless Direct Current Motor). Варто відзначити, що абревіатура PMSM в англомовній літературі частіше використовується для позначення самих синхронних машин з постійними магнітами і з синусоїдальною формою фазних протидії ЕРС, в той час як абревіатура BLDC аналогічна російської абревіатурі БДПС і відноситься до двигунів з трапецеидальной формою протидії ЕРС (якщо інша форма не обумовлена ​​спеціально).

Взагалі кажучи, вентильний двигун не є електричною машиною в традиційному розумінні, оскільки його проблематика зачіпає ряд питань, пов'язаних з теорією електроприводу і систем автоматичного управління : Структурна організація, використання датчиків і електронних компонентів, а також програмне забезпечення.

Вентильні двигуни, що поєднують в собі надійність машин змінного струму з хорошою керованістю машин постійного струму, є альтернативою двигунам постійного струму, які характеризуються рядом вад, пов'язаних з ЩКУ , Таких як іскріння, перешкоди, знос щіток, поганий тепловідвід якоря та ін. Відсутність ЩКУ дозволяє застосовувати ВД в тих додатках, де використання ДПТ ускладнене або неможливе.

Двигун складається з постійного магніту - ротора , Що обертається в магнітному полі котушок статора , За якими проходить струм, комутований ключами (вентилями), керованими мікро контролером . Мікроконтролер перемикає котушки таким чином, щоб взаємодія їх поля з полем ротора створювало обертаючий момент при будь-якому його положенні.

На входи перетворювача координат (ПК) надходять напруги постійного струму u q {\ displaystyle u_ {q}} , Дія якого аналогічно напрузі якоря двигуна постійного струму, і u d {\ displaystyle u_ {d}} , Аналогічне напрузі збудження двигуна постійного струму (аналогія діє при розгляді схеми незалежного збудження двигуна постійного струму).

Сигнали u d, u q {\ displaystyle u_ {d}, u_ {q}} , являють собою проекції вектора напруги управління U y → = {u d, u q} {\ displaystyle {\ vec {U_ {y}}} = \ {u_ {d}, u_ {q} \}} на осі обертається системи координат {d, q} {\ displaystyle \ {d, q \}} , Пов'язаної з ротором ВД (а точніше - з вектором потоку ротора). Перетворювач координат здійснює перетворення проекцій u d, u q {\ displaystyle u_ {d}, u_ {q}} в проекції u α, u β {\ displaystyle u _ {\ alpha}, u _ {\ beta}} нерухомої системи координат {α, β} {\ displaystyle \ {\ alpha, \ beta \}} , Пов'язаної зі статором.

Як правило, в системах управління електроприводу задається u d = 0 {\ displaystyle u_ {d} = 0} [3] , При цьому рівняння перетворення координат приймають вид [4] :

u α = - u q ⋅ sin ⁡ θ, {\ displaystyle u _ {\ alpha} = - u_ {q} \ cdot \ sin {\ theta},}

u β = {\ displaystyle u _ {\ beta} =} u q ⋅ cos ⁡ θ, {\ displaystyle u_ {q} \ cdot \ cos {\ theta},}

де θ {\ displaystyle \ theta} - кут повороту ротора (і системи обертових координат) щодо осі α {\ displaystyle \ alpha} нерухомої системи координат. Для вимірювання миттєвого значення кута θ {\ displaystyle \ theta} на валу ВД встановлюється датчик положення ротора (ДПР).

По суті, u q {\ displaystyle u_ {q}} є в цьому випадку завданням значення амплітуди фазної напруги. А ПК, здійснюючи позиційну модуляцію сигналу u q {\ displaystyle u_ {q}} , Формує гармонійні сигнали u α, u β {\ displaystyle u _ {\ alpha}, u _ {\ beta}} , Які підсилювач потужності (УМ) перетворює в фазні напруги u A, u B {\ displaystyle u_ {A}, u_ {B}} . Синхронний двигун в складі вентильного двигуна часто називають синхронним електромеханічним перетворювачем (СЕМП).

Як правило, електронна частина ВД комутує фази статора синхронної машини так, щоб вектор магнітного потоку статора був ортогонален вектору магнітного потоку ротора (т. зв. векторне управління ). При дотриманні ортогональности потоків статора і ротора забезпечується підтримання максимального крутного моменту ВД в умовах зміни частоти обертання, що запобігає випаданню ротора із синхронізму і забезпечує роботу синхронної машини з максимально можливим для неї ККД . Для визначення поточного стану потоку ротора замість датчика положення ротора можуть використовуватися струмові датчики (непряме вимірювання положення).

Електронна частина сучасного ВД містить мікроконтролер і транзисторний міст , А для формування фазних струмів використовується принцип широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Мікроконтролер відстежує дотримання заданих законів управління, а також проводить діагностику системи і її програмну захист від аварійних ситуацій.

Іноді датчик положення ротора відсутня, а положення оцінюється системою управління за вимірюваннями струмових датчиків за допомогою спостерігачів (Т. Зв. «Бездатчикового» управління ВД). У таких випадках за рахунок видалення дорогого і часто громіздкого датчика положення зменшується ціна і масо-габаритні показники електроприводу з ВД, проте ускладнюється управління, знижується точність визначення положення і швидкості.

У додатках середньої і великої потужності в систему можуть додатково включатися електричні фільтри для пом'якшення негативних ефектів ШІМ: перенапруг на обмотках, підшипникових струмів і зниження ККД. Втім, це характерно для всіх типів двигунів.

Вентильні двигуни покликані об'єднати в собі кращі якості двигунів змінного струму та двигунів постійного струму. Це обумовлює їх гідності.

переваги:

• Широкий діапазон зміни частоти обертання
• Безконтактність і відсутність вузлів, що вимагають частого обслуговування (колектора)
• Можливість використання у вибухонебезпечному і агресивному середовищі
• Велика перевантажувальна здатність по моменту
• Високі енергетичні показники ( ККД вище 90%)
• Великий термін служби і висока надійність за рахунок відсутності ковзних електричних контактів .

Вентильні двигуни характеризуються і деякими недоліками, головний з яких - висока вартість. Однак, говорячи про високу вартість, слід враховувати і той факт, що вентильні двигуни зазвичай використовуються в дорогих системах з підвищеними вимогами по точності і надійності.

недоліки:

• висока вартість двигуна, обумовлена ​​частим використанням дорогих постійних магнітів в конструкції ротора. Вартість електроприводу з ВД, однак, порівнянна з вартістю аналогічного електроприводу на основі ДПТ з незалежним збудженням (регулювальні характеристики такого двигуна і ВД можна порівняти). Взагалі кажучи, в вентильному двигуні може бути використаний і ротор з електромагнітним збудженням, однак це пов'язано з комплексом практичних незручностей. У ряді випадків кращим виявляється застосування асинхронного двигуна з перетворювачем частоти .
• Щодо складна структура двигуна і управління ним.

Конструктивно сучасні вентильні приводи складаються з електромеханічної частини (синхронної машини і датчика положення ротора) і з керуючої частини (мікроконтролер і силовий міст).

Згадуючи про конструкції ВД, корисно мати на увазі і неконструктивний елемент системи - програму (логіку) управління.

Синхронна машина, яка використовується в ВД, складається з шіхтованного (зібраного з окремих електрично ізольованих листів електротехнічної сталі - для зниження вихрових струмів ) Статора, в якому розташована багатофазна (зазвичай двох-або трифазна) обмотка, і ротора (зазвичай на постійних магнітах).

Як датчики положення ротора в БДПС застосовуються датчики Холла , А в ВД - обертові трансформатори і накопичують датчики . У т. Н. «Бездатчикового» системах інформація про становище визначається системою управління по миттєвим значенням фазних струмів.

Інформація про стан ротора обробляється мікропроцесором, який, згідно з програмою управління, виробляє керуючі ШІМ-сигнали. Низьковольтні ШІМ-сигнали мікроконтролера потім перетворюються підсилювачем потужності (зазвичай транзисторним мостом) в силові напруги, що подаються на двигун.

Сукупність датчика положення ротора і електронного вузла в ВД і БДПС можна з певною часткою достовірності порівняти з щітково-колекторним вузлом ДПТ. Однак слід пам'ятати, що двигуни рідко застосовуються поза електроприводу. Таким чином, електронна апаратура характерна для ВД майже в тій же мірі, що і для ДПТ.

статор [ правити | правити код ]

Статор має традиційну конструкцію. Він складається з корпусу, сердечника з електротехнічної сталі і мідної обмотки, покладеної в пази по периметру сердечника. Обмотка розбита на фази, які покладені в пази таким чином, що просторово зміщені один щодо одного на кут, який визначається числом фаз. Відомо, що для рівномірного обертання валу двигуна машини змінного струму досить двох фаз. Зазвичай синхронні машини, застосовувані в ВД, трифазні, однак зустрічаються також і ВД з чотирьох- і шестифазний обмотками.

ротор [ правити | правити код ]

По розташуванню ротора вентильні двигуни діляться на внутріроторние (англ. Inrunner) і внешнероторние (англ. Outrunner).

Ротор виготовляється з використанням постійних магнітів і має зазвичай від двох до шістнадцяти пар полюсів з чергуванням північного і південного полюсів.

Для виготовлення ротора раніше використовувалися ферритові магніти, що визначалося їх поширеністю і дешевизною. Однак такі магніти характеризуються низьким рівнем магнітної індукції. В даний час інтенсивно використовуються магніти із сплавів рідкоземельних елементів , Оскільки вони дозволяють отримати більш високий рівень магнітної індукції і зменшити розмір ротора.

Датчик положення ротора [ правити | правити код ]

Датчик положення ротора (ДПР) реалізує Зворотній зв'язок по положенню ротора. Його робота може бути заснована на різних принципах - фотоелектричному , Индуктивном, трансформаторному , на ефекті Холла та ін. Найбільшу популярність придбали датчики Холла і фотоелектричні датчики, що володіють низькою інерційністю і забезпечують малі запізнювання в каналі зворотного зв'язку по положенню ротора.

Зазвичай фотоелектричний датчик містить три нерухомих фотоприймача, між якими знаходиться обертається маска з ризиками, жорстко закріплена на валу ротора ВД. Таким чином, ДПР забезпечує інформацію про поточний стан ротора ВД для системи управління.

Система управління [ правити | правити код ]

Система управління містить мікроконтролер , Який контролює силовий інвертор згідно заданою програмою управління. В якості силових ключів інвертора зазвичай застосовують транзистори MOSFET (ВД малих і середніх потужностей) або IGBT (ВД середніх і великих потужностей), рідше тиристори .

Грунтуючись на інформації, отриманої від ДПР, мікроконтролер формує ШІМ-сигнали, які посилюються інвертором і подаються на обмотку синхронної машини.

завдяки високій надійності і хорошою керованості , Вентильні двигуни застосовуються в широкому спектрі додатків: від комп'ютерних вентиляторів і CD / DVD-приводів до роботів і космічних ракет.

Широке застосування ВД знайшли в промисловості, особливо в системах регулювання швидкості з великим діапазоном і високим темпом пусків, зупинок і реверсу; авіаційній техніці, автомобільному машинобудуванні, біомедичної апаратури, побутової техніки тощо. Також, цей тип двигунів часто використовується в двигунах квадрокоптера .

• Герасимов В. Г., Кузнєцов Е. В., Миколаєва О. В. Електротехніка та електроніка. Кн. 2. Електромагнітні пристрої та електричні машини. - М.: Вища школа, 1997. - 288 с. - ISBN 5-283-05005-X .

1. ↑ Герман-Галкін С. Г. Глава 9. Модельне проектування синхронних мехатронних систем // Matlab & Simulink. Проектування мехатронних систем на ПК .. - СПб. : КОРОНА-Век, 2008. - 368 с. - ISBN 978-5-903383-39-9 .
2. ↑ Борців Ю.А., Соколовський Г.Г. Глава 8. Адаптивно-модальне керування в системах, що стежать за безконтактними моментними двигунами // Автоматизований електропривод з пружними зв'язками. - 2-е изд., Перераб. і доп .. - СПб: Вища школа, 1992. - 288 с. - ISBN 5-283-04544-7 .
3. ↑ Соколовський Г. Г. Електроприводи змінного струму з частотним регулюванням. - М.: "Академія", 2006. - 272 с. - ISBN 5-7695-2306-9 .
4. ↑ Мікерена А.Г. Керовані вентильні двигуни малої потужності: Навчальний посібник .. - СПб: СПбГЕТУ, 1997. - 64 с.