Вентильные двигатели

      Транзисторы или тиристоры работают в ключевом режиме, характеризующемся двумя  устойчивыми положениями – открытым для прохождения тока или закрытым. Переход из одного положения в  другое происходит в зависимости  от пространственного положения ротора или сигналов с других датчиков.

      Для обеспечения симметричности загрузки m-фазной ОЯ, повторяемости процессов  и нормальной работы ключей инвертора  необходимо, чтобы фазовый сдвиг  между управляющими сигналами ключей анодной (верхней) и катодной (нижней) группы инвертора был равен 2π/m, а фазовый сдвиг между управляющими сигналами ключей одной стойки был равен π [10].

      Распространенными вариантами работы ключей инвертора трехфазного ВД является два:

      1) 120 – градусная коммутация, то есть в пределах периода (360 градусов) каждый ключ работает 120 градусов.

      2) 180-градусная (синусная коммутация).

      Время открытого состояния ключа не остается неизменным в течение полупериода  выходной частоты, а изменяется по синусоидальному  закону (рис. 5а).

      На  вход компаратора подается сигнал несущей синусоиды и сигнал пилообразного напряжения. В приведенном примере, транзистор будет включен, когда значение напряжения несущей синусоиды будет превышать значение пилообразного напряжения (рис. 5а).

 

      

      Рис. 5. Формирование синусоидального напряжения при ШИМе 

 

       9. Датчик положения ротора (ДПР) 

      В иностранной литературе - Shaft Position Sensor, Shaft Encoder [15].

      ДПР является элементом позиционной  обратной связи. ДПР предназначен для создания сигналов, несущих информацию об относительном положении осей полюсов ротора и осей фаз статорных обмоток двигателя. Для трехфазной обмотки эти углы равны a, a-120, a-240, где угол a определяется текущим положением ротора.

      Сигнал  с ДПР служит для управления подключением тех фаз электродвигателя, которые создадут максимальный момент при взаимодействии с полюсами ротора.

      Датчик  располагается в корпусе электромеханической  части двигателя, но схемно связан с  коммутатором.  

      9.1 Требования, предъявляемые к ДПР 

      1) Простота конструкции, технологичность в изготовлении, надежность в работе.

      2) Должен иметь малые размеры.  Размеры датчика не должны  превосходить размеров щеточно-коллекторного  устройства [1].

      3) Потребляемая энергия должна  быть малой. Потребляемая мощность  не должна превосходить потерь на щетках эквивалентных коллекторных машин [1].

      4) Требования к форме сигнала.  Хорошее согласование сигнала датчика с входными цепями инвертора. Большая кратность максимального и минимального выходного сигнала. Большая крутизна нарастания и спада сигнала. Чем в более полной степени выполняется требование 4, тем меньше усложнений придется предусматривать в схеме управления инвертором для обеспечения надежного и экономичного режима переключения ключей [1].

      5) Высокая стойкость к внешним  факторам окружающей среды. ДПР должен работать во всем диапазоне воздействий, которым подвергается электродвигатель: температура, свойства среды, вибрация [4].

      6) Помехоустойчивость. 

      9.2 Устройство ДПР 

      ДПР состоит из двух основных элементов:

      1) Сигнального (или управляющего) элемента (СЭ).

      Сигнальный  элемент (СЭ) связан с ротором двигателя.

      2) Чувствительного элемента (ЧЭ).

      Чувствительные  элементы установлены на неподвижной  части машины. Число чувствительных элементов в ДПР обычно равно числу фаз обмотки якоря двигателя. К чувствительным элементам подводится питающее напряжение. 

        

      Рис. 6. Составные части ДПР 

      При достижении СЭ определенного углового положения он входит во взаимодействие с чувствительным элементом, то есть бесконтактно воздействует на него энергией своего физического поля (магнитного, светового, электрического – в зависимости от типа сигнального и чувствительного элемента). В ЧЭ происходит преобразование этой энергии в электрический сигнал. Этот электрический сигнал поступает в систему управления инвертором и используются для управления коммутатором ВД.

      9.3 Классификация ДПР 

      По  форме сигнала ДПР делятся  на две группы:

      1) дискретные;

      2) аналоговые.

      Дискретные ДПР выдают выходной сигнал одного уровня. Он имеет прямоугольную форму (стремятся получить такую) и имеет определенную длительность [15].

      Аналоговые ДПР выдают сигнал, величина которого зависит от текущего углового положения ротора. Например, сигнал ДПР может изменяться в зависимости от угла по синусоидальному закону [15].

      Также ДПР разделяются на группы по типу чувствительных элементов, преобразующих тот или иной вид энергии в изменение электрического или магнитного параметра.

      В соответствии с этим признаком выделим  три типа ДПР:

      1) Фотоэлектрические (также их называют оптоэлектрическими и датчиками оптического типа [15]).

      2) Индуктивные.

      3) Гальваномагнитные. 

      9.4 Фотоэлектрические датчики 

      Используются  в маломощных ВД.

      Элементами  фотодатчика являются:

      - источник лучистой энергии (светодиод), расположенный на неподвижной  части;

      - приемник лучистой энергии - чувствительный элемент (фотоэлемент: фотодиод, фоторезистор, фототранзистор, фототиристор), расположенный на неподвижной части;

      - модулятор потока лучистой энергии, расположенный на роторе.

      Модулирование потока лучистой энергии может быть обеспечено:

      -при использовании тонкого диска с отверстиями или прорезями;

      -за счет покрытия облучаемой поверхности ротора отражающими и неотражающими излучение материалами.

      То  есть модулятор может работать на просвет, либо на отражение. Число импульсов определяет положение и скорость вращения ротора ВД.

      Достоинства:

      1) Источник лучистой энергии (светодиод)  и приемник (фототранзистор) располагаются  на неподвижной части.

      2) Ротор (якорь) ДПР (в случае исполнения его в виде диска с прорезями) имеет минимальный момент инерции, что является важным при использовании ВД в качестве исполнительного двигателя [11].

      3) Ротор прост по конструкции  [15].

      4) Ротор не создает никаких реактивных  моментов, что важно для высокоточных  приводов [15].

      5) Датчики этого типа позволяют получить достаточно крутой фронт сигнала [15].

      6) Компактность конструкции ДПР  в многополюсных двигателях относительно  большого диаметра. Это обеспечивается  за счет расположения n чувствительных элементов на одной линии по радиусу и применения для каждого ЧЭ своей прорези на экране-якоре. Эти прорези должны иметь угловое смещение относительно друг друга, равное угловому сдвигу чувствительных элементов обычного датчика [15].

      Недостатки:

      1) невысокий КПД из-за двойного преобразования энергии (электрической в световую и обратно) [9].

      2) низкий уровень выходного сигнала  [15].

      3) малая чувствительность, обуславливающая необходимость фокусировки луча с помощью оптических линз [9].

      4) слабая помехозащищенность, вынуждающая применять специальные меры устранения размытости фронта сигнала; влияние других источников излучения [9].

      5) ненадежность из-за возможности  загрязнения поверхности элементов  [15]. 

      9.5 Индуктивные датчики 

      Принцип действия индуктивных датчиков основан  на изменении индуктивного сопротивления: 

      xL=wL=wGw2, (9) 

      где w =2πf, L – индуктивность обмотки датчика, G – магнитная проводимость контура замыкания магнитного потока, w – число витков обмотки индуктивного датчика.

      По  виду ЧЭ разделяются на:

      - дроссельные.

      - трансформаторные.

      Рассмотрим  один вариант построения дроссельного индуктивного датчика, показывающий принцип действия датчиков такого типа (рис. 7). 

        

      Рис. 7. Схема индуктивного ДПР [15] 

 

       Основные элементы датчика:

      - дроссель насыщения, представляющий  собой кольцевой сердечник с  обмоткой, расположенный на неподвижной части двигателя [15].

      В качестве сердечников ЧЭ применяются, как правило, ферриты с прямоугольной  петлей гистерезиса [11].

      Обмотка чувствительного элемента запитывается переменным напряжением повышенной частоты (30-60 кГц), получаемым с выхода вторичного источника питания. Выпрямленный ток обмотки является током управления для тразистора, в цепь которого включена нагрузка. На цепочку коллекторно-эмиттерный переход транзистора – нагрузка подано постоянное напряжение [15].

      - постоянные магниты, представляющие собой р секторов якоря ДПР, закрепленного на валу двигателя.

      Когда магниты находятся от сердечника на удаленном расстоянии, он не насыщен  и его обмотка обладает большим  индуктивным сопротивлением (9). Ток в цепи практически отсутствует. Транзистор закрыт, выходное напряжение датчика равно нулю [15].

      По  мере приближения одного из постоянных магнитов по сердечнику дросселя замыкается все больший магнитный поток  и сердечник насыщается. Индуктивное  сопротивление обмотки существенно  снизится, по цепи эмиттер-база пойдет ток и транзистор откроется [15].

      Достоинства:

      1) высокая надежность [11,15], простота  и малая стоимость [15].

      2) большая кратность выходного  сигнала [11,15], что обуславливается  прямоугольной петлей гистерезиса  ферритов [11]. В зависимости от габаритов дросселя датчики могут выдавать значительный ток (от 10 до 100 мА), что иногда бывает достаточным для управления непосредственно силовым ключом [15].

      3) достаточно крутой фронт сигнала  [15].

      4) относительно малые габариты  [15].

      5) широкий температурный диапазон и радиационная стойкость [11].

      Недостаток:

      1) Распределение индукции в зазоре  датчика близко к трапецеидальному. Длительность фронта трапеции  определяется конструкцией магнитной  системы и не может быть  очень малой. При положениях ротора, соответствующих фронтам, с выхода датчика снимается не прямоугольное напряжение, а серия импульсов, ширина которых зависит от величины индукции. Это значительно затрудняет выделение огибающей сигнала на входе коммутатора [11].