Что такое вентильный двигатель постоянного тока

Вентильные двигатели. Виды и устройство. Работа и применение

Электродвигатели, работающие от постоянного тока, обычно обладают более высокими экономическими и техническими характеристиками, по сравнению с двигателями переменного тока. Единственным серьезным недостатком является наличие щеточного механизма, существенно понижающего надежность всей конструкции, повышающего инерционность ротора, взрывоопасность двигателя, а также создает радиопомехи.

Поэтому были созданы бесконтактные двигатели, работающие от постоянного тока, которые получили название вентильные двигатели. Создание такого нового устройства стало возможным, благодаря появлению полупроводников. Щеточный механизм в этой конструкции заменен коммутатором на основе полупроводниковых элементов. Якорь является неподвижным элементом, а на роторе закреплены постоянные магниты.

На входы преобразователя координат (ПК) поступают напряжения постоянного тока , действие которого аналогично напряжению якоря двигателя постоянного тока, и , аналогичное напряжению возбуждения двигателя постоянного тока (аналогия действует при рассмотрении схемы независимого возбуждения двигателя постоянного тока).

Сигналы , представляют собой проекции вектора напряжения управления на оси вращающейся системы координат , связанной с ротором ВД (а точнее — с вектором потока ротора). Преобразователь координат осуществляет преобразование проекций в проекции неподвижной системы координат , связанной со статором .

Как правило, в системах управления электропривода задаётся [3] , при этом уравнения преобразования координат принимают вид [4] :

где — угол поворота ротора (и системы вращающихся координат) относительно оси неподвижной системы координат. Для измерения мгновенного значения угла на валу ВД устанавливается датчик положения ротора (ДПР).

По сути, является в этом случае заданием значения амплитуды фазных напряжений. А ПК, осуществляя позиционную модуляцию сигнала , формирует гармонические сигналы , которые усилитель мощности (УМ) преобразует в фазные напряжения . Синхронный двигатель в составе вентильного двигателя часто называют синхронным электромеханическим преобразователем (СЭМП).

Как правило, электронная часть ВД коммутирует фазы статора синхронной машины так, чтобы вектор магнитного потока статора был ортогонален вектору магнитного потока ротора (т. н. векторное управление). При соблюдении ортогональности потоков статора и ротора обеспечивается поддержание максимального вращающего момента ВД в условиях изменения частоты вращения, что предотвращает выпадение ротора из синхронизма и обеспечивает работу синхронной машины с максимально возможным для неё КПД. Для определения текущего положения потока ротора вместо датчика положения ротора могут использоваться токовые датчики (косвенное измерение положения).

Электронная часть современного ВД содержит микроконтроллер и транзисторный мост, а для формирования фазных токов используется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Микроконтроллер отслеживает соблюдение заданных законов управления, а также производит диагностику системы и её программную защиту от аварийных ситуаций.

Иногда датчик положения ротора отсутствует, а положение оценивается системой управления по измерениям токовых датчиков с помощью наблюдателей (т. н. «бездатчиковое» управление ВД). В таких случаях, за счёт удаления дорогостоящего и, зачастую, громоздкого датчика положения, уменьшается цена и массо-габаритные показатели электропривода с ВД, однако усложняется управление, снижается точность определения положения и скорости.

В приложениях средней и большой мощности в систему могут дополнительно включаться электрические фильтры для смягчения негативных эффектов ШИМ: перенапряжений на обмотках, подшипниковых токов и снижения КПД. Впрочем, это характерно для всех типов двигателей.

Принцип действия

В зависимости от особенностей конструкции и технических характеристик выделяют асинхронный, синхронный и индуктивный вентильный двигатель. Принцип работы каждого из них основывается на индуцировании непостоянных магнитных полюсов на роторе. При подаче напряжения начинается его вращение в соответствии с полюсами статора, вследствие чего сопротивление магнитного поля сводится к минимуму.

Сведения о состоянии ротора используются в качестве инструмента управления фазой подачи напряжения. Наложение сигналов на угловую ненасыщенную фазу индуктивности осуществляется таким образом, что её максимальное значение совпадает с минимальным сопротивлением полюса.

Чтобы высокие вольт-секунды не оказывали негативного действия на работающую электронику, следует предусмотреть ограничение фазного тока на невысоких скоростях двигателя. Роль ограничителей в этом случае выполняют датчики. При высоких скоростях необходимость в ограничении тока отпадает.

Читать еще: Passat громко работает двигатель

Выровненный угол управляющего напряжения одиночного импульса позволяет оптимизировать производительность оборудования. Процесс её преобразования наглядно демонстрируется в виде траектории реактивной энергии. Преобразованное в механическую энергию питание отвечает за мощностную область. Отключение электроэнергии приводит к тому, что избыточная либо остаточная энергия переходит к статору. Влияние магнитного поля на работающий вентильный электродвигатель является минимальным. Это отличает ВД от других аналогичных устройств.

Технические характеристики

При выборе конкретной модели важно определить ее соответствие месту установки, поэтому важно обращать внимание на следующие характеристики вентильных двигателей:

номинальное напряжение – определяет питающую величину, которая должна подаваться на вентильный двигатель для получения номинального усилия;
потребляемая мощность – характеристика электродвигателя, показывающая величину мощности, расходуемую на работу устройства;
КПД – показывает соотношение полезной работы, совершаемой вентильным двигателем к израсходованной мощности;
мощность на валу – полезная работа электрической машины, совершаемая за счет тягового усилия;
номинальная частота – определяет количество оборотов в минуту, которые вентильный двигатель может совершать в номинальном режиме работы;
диапазон регулировки частоты – показывает, в каких пределах можно изменять частоту оборотов вала для конкретной модели;
номинальный крутящий момент – определяет усилие, создаваемое на валу вентильного двигателя при оптимальных параметрах работы, также в параметрах может регламентироваться пусковой и максимальный момент;
коэффициент нагрузки – показывает, насколько снижается эффективность электрической машины, в зависимости от подъема над уровнем моря;
габаритные размеры и масса вентильного двигателя.

Электрические двигатели постоянного тока обеспечивают быстрый запуск и плавную регулировку скорости вращения вала. Они характеризуются повышенной точностью и линейностью работы. Такие агрегаты широко востребованы в производстве и промышленности. Компания «ОММАТЕХ» поставляет современное оборудование известных марок: Vascat, Baumuller, Elbtalwerk, Magnetic, Simo и других. У нас можно купить надежный электродвигатель постоянного тока, а также комплектующие к нему. Представленная продукция сертифицирована, соответствует требованиям ГОСТ.

Преимущества двигателей постоянного тока

Электромоторы, работающие от постоянного тока, востребованы благодаря своим очевидным преимуществам. От прочих видов двигателей их отличает высокая точность и линейность работы. Они позволяют легко и плавно регулировать скорость вращения вала, настраивая оптимальный режим функционирования. Это особенно важно для современных высокоточных устройств.

Двигатели постоянного тока (ДПТ) имеют хорошие пусковые свойства. Эти агрегаты сравнительно быстро запускаются. Наибольшим пусковым моментом обладают ДПТ с последовательным возбуждением.

Моторы на постоянном токе относятся к обратимым машинам. Поэтому они могут использоваться не только как двигатели, но и как генераторы, источники электроэнергии. Несмотря на это такие электродвигатели отличаются простым устройством и компактной конструкцией. Небольшие габаритные размеры позволяют устанавливать ДПТ в ограниченном пространстве.

Двигатели постоянного тока достаточно просто управляются, а также подлежат ремонту. В нашей компании вы можете заказать интересующие запчасти и комплектующие для моторов.

Основные достоинства ДПТ:

механическая и линейная точность, плавность регулировки;
быстрый запуск;
компактность, ремонтопригодность;
простота управления;
способность работы в режиме генератора.

Широкая сфера применения

Электродвигатели, работающие на постоянном токе, успешно применяются в разных отраслях промышленности и сферах производства. ДПТ востребованы в автомобилестроении и электрическом транспорте (электровозы, трамваи, троллейбусы). Эти моторы используются в составе современных станков, промышленных подъемно-транспортных механизмов (тяжелые краны), устройств с широким диапазоном скорости вращения.

Двигатели постоянного тока также применимы в разного рода приводах, электрических стартерах, аккумуляторном инструменте. Мы готовы порекомендовать оптимальный агрегат в соответствии с вашими потребностями и техническими спецификациями.

Выбор электродвигателя

В каталоге компании «ОММАТЕХ» представлены ДПТ различного вида: коллекторные, вентильные, бесколлекторные, с постоянными магнитами, с электромагнитами и другие.

Каждый двигатель состоит из корпуса, якоря, индуктора и щеток. Прочный корпус защищает элементы мотора от повреждений. Индуктор создает постоянное магнитное поле. В коллекторных моделях в роли якоря выступает коллектор с обмоткой и сердечником.

коллекторные, с щеточноколлекторным переключателем тока (с одним, двумя, тремя, четырьмя, восемью коллекторами);
вентильные, с инвертором и датчиком положения ротора;
универсальные коллекторные (на постоянном и переменном токе).

Читать еще: Давление в цилиндрах газель 405 двигатель

Мы предлагаем оборудование известных марок. Это сертифицированная техника, которая отличается высоким качеством комплектующих и сборки. Она рассчитана на долгосрочную эксплуатацию и безотказное функционирование в ответственных узлах. Срок службы оригинальных фирменных моторов — в 2-5 раз больше, чем у их дешевых копий. Все представленные электродвигатели полностью соответствуют требованиям ГОСТ.

Мы работаем напрямую с крупнейшими производителями: Vascat (Испания), Comer (Италия), Baumuller (Германия), Simo (Китай). Предлагаем квалифицированную помощь в подборе агрегатов. Гарантируем поставку высоконадежных двигателей по разумным рыночным ценам. Стоимость оборудования зависит от ценовой политики бренда, типа и сложности устройства мотора, используемых для его создания материалов и комплектующих.

Содержание

1 Описание и принцип работы
2 Достоинства и недостатки
3 Конструкция

3.1 Статор
3.2 Ротор
3.3 Датчик положения ротора
3.4 Система управления

Двигатель состоит из постоянного магнита-ротора, вращающегося в магнитном поле катушек статора, по которым проходит ток, коммутируемый ключами (вентилями), управляемыми микроконтроллером. Микроконтроллер переключает катушки таким образом, чтобы взаимодействие их поля с полем ротора создавало крутящий момент при любом его положении.

На входы преобразователя координат (ПК) поступают напряжения постоянного тока u q > , действие которого аналогично напряжению якоря двигателя постоянного тока, и u d > , аналогичное напряжению возбуждения двигателя постоянного тока (аналогия действует при рассмотрении схемы независимого возбуждения двигателя постоянного тока).

Как правило, в системах управления электропривода задаётся u d = 0 =0> [2] , при этом уравнения преобразования координат принимают вид [3] :

Иногда датчик положения ротора отсутствует, а положение оценивается системой управления по измерениям токовых датчиков с помощью наблюдателей (т. н. «бездатчиковое» управление ВД). В таких случаях за счёт удаления дорогостоящего и зачастую громоздкого датчика положения уменьшается цена и массо-габаритные показатели электропривода с ВД, однако усложняется управление, снижается точность определения положения и скорости.

Конструктивно современные вентильные приводы состоят из электромеханической части (синхронной машины и датчика положения ротора) и из управляющей части (микроконтроллер и силовой мост).

Упоминая о конструкции ВД, полезно иметь в виду и неконструктивный элемент системы — программу (логику) управления.

Синхронная машина, используемая в ВД, состоит из шихтованного (собранного из отдельных электрически изолированных листов электротехнической стали — для снижения вихревых токов) статора, в котором расположена многофазная (обычно двух- или трёхфазная) обмотка, и ротора (обычно на постоянных магнитах).

В качестве датчиков положения ротора в БДПТ применяются датчики Холла, а в ВД — вращающиеся трансформаторы и накапливающие датчики. В т. н. «бездатчиковых» системах информация о положении определяется системой управления по мгновенным значениям фазных токов.

Читать еще: Чип тюнинг двигателя toyota prado 150

Информация о положении ротора обрабатывается микропроцессором, который, согласно программе управления, вырабатывает управляющие ШИМ-сигналы. Низковольтные ШИМ-сигналы микроконтроллера затем преобразуются усилителем мощности (обычно транзисторным мостом) в силовые напряжения, подаваемые на двигатель.

Совокупность датчика положения ротора и электронного узла в ВД и БДПТ можно с определённой долей достоверности сравнить с щёточно-коллекторным узлом ДПТ. Однако следует помнить, что двигатели редко применяются вне электропривода. Таким образом, электронная аппаратура характерна для ВД почти в той же степени, что и для ДПТ.

Статор

Статор имеет традиционную конструкцию. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника. Обмотка разбита на фазы, которые уложены в пазы таким образом, что пространственно сдвинуты друг относительно друга на угол, определяемый числом фаз. Известно, что для равномерного вращения вала двигателя машины переменного тока достаточно двух фаз. Обычно синхронные машины, применяемые в ВД, трёхфазные, однако встречаются также и ВД с четырёх- и шестифазными обмотками.

Ротор

По расположению ротора вентильные двигатели делятся на внутрироторные (англ. inrunner) и внешнероторные (англ. outrunner).

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до шестнадцати пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.

Для изготовления ротора раньше использовались ферритовые магниты, что определялось их распространённостью и дешевизной. Однако такие магниты характеризуются низким уровнем магнитной индукции. В настоящее время интенсивно используются магниты из сплавов редкоземельных элементов, поскольку они позволяют получить более высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Датчик положения ротора

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах — фотоэлектрическом, индуктивном, трансформаторном, на эффекте Холла и проч. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические датчики, обладающие низкой инерционностью и обеспечивающие малые запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Обычно фотоэлектрический датчик содержит три неподвижных фотоприёмника, между которыми находится вращающаяся маска с рисками, жёстко закреплённая на валу ротора ВД. Таким образом, ДПР обеспечивает информацию о текущем положении ротора ВД для системы управления.

Система управления

Система управления содержит микроконтроллер, управляющий силовым инвертором согласно заданной программе. В качестве силовых ключей инвертора обычно применяют транзисторы MOSFET (ВД малых и средних мощностей) или IGBT (ВД средних и больших мощностей), реже — тиристоры.

Основываясь на информации, полученной от ДПР, микроконтроллер формирует ШИМ-сигналы, которые усиливаются инвертором и подаются на обмотку синхронной машины.

Благодаря высокой надёжности и хорошей управляемости вентильные двигатели применяются в широком спектре приложений: от компьютерных вентиляторов и CD/DVD-приводов до роботов и космических ракет.

Широкое применение ВД нашли в промышленности, особенно в системах регулирования скорости с большим диапазоном и высоким темпом пусков, остановок и реверса; авиационной технике, автомобильном машиностроении, биомедицинской аппаратуре, бытовой технике и пр. Также этот тип двигателей широко распространен в силовых приводах для моделей, а также на различных БПЛА, к примеру квадрокоптерах.

Двигатели малой мощности имеют следующие преимущества:

высокие технические характеристики, энергетические показатели;
длительный период эксплуатации, безотказность в работе;
защита механизма от воздействий внешних факторов.

Основной сферой применения малогабаритных двигателей постоянного тока являются:

различные устройства радиосвязи;
электроприводы разных назначений;
системы автоматического управления;
производственные станки, линии;
бытовые и специализированные приборы.

Они являются незаменимыми в тех сферах, где использовать крупные двигатели невозможно. Например, небольшие электродвигатели часто используются в микроэлектронике, медицине, оптике, науке в целом. Кроме этого, они активно применяются на энергетических объектах, системах автоматизации и технологических линиях. Малогабаритные двигатели могут подключаться не только к приводу, но и к аккумулятору и электросети.

голоса

Рейтинг статьи