Motor de corrent contínua sense escoves
Definició
Un motor de corrent contínua sense escovines és definit com un variador de freqüència variable automàtic que utilitza un motor d'alternada de corrent permanent (PMAC) sinusoidal. Aquest tipus de variador ofereix diverses avantatges notables. Pràcticament sense necessitat de manteniment, disposa d'una vida útil allargada, el que el converteix en una opció fiable per a diverses aplicacions. A més, presenta una inèrcia rotacional baixa, fricció mínima i opera amb característiques de baixa freqüència. A més a més, genera una interferència de radiofrequència i soroll mínims, assegurant una operació suau i silenciosa. No obstant això, no està exempt de desavantatges; els principals límits són el seu cost relativament elevat i la seva baixa torsió inicial.
Aplicacions
Els motors de corrent contínua sense escovines es troben ampliament utilitzats en una gran varietat d'indústries i dispositius. En el món de l'electrònica de consum, es fan servir en tocadiscos, unitats de cinta per gravadors i unitats de disc dur en ordinadors. També serveixen com a propulsors de baixa potència en instruments perifèrics d'ordinador i sistemes de control. Més enllà de l'electrònica de consum, les seves aplicacions s'estenen a l'indústria aerospacial, on la fiabilitat i la operació de baix soroll són crucials. En el camp biomèdic, la seva precisió i operació neta els fan adequats per a diversos dispositius mèdics. A més, es fan servir habitualment per propulsar ventiladors de refrigeració, proporcionant una ventilació eficient i silenciosa en diversos sistemes.
Estructura del Motor
La figura següent il·lustra la secció transversal d'un motor PMAC trapezoidal de tres fases i dos pols, que és un component clau del variador de motor de corrent contínua sense escovines. El motor disposa d'un rotor permanent magnètic amb un arc de pol ample, que contribueix a la seva operació eficient. El stator està equipat amb bobines de tres pols, cada una desplaçada 120 graus una de l'altra. Aquesta configuració específica de bobinat assegura una operació elèctrica equilibrada i una producció suau de torsió. Cada bobina de fase abasta 60 graus a cada costat, optimitzant la interacció del camp magnètic dins del motor i permetent un control precís sobre la velocitat i el rendiment.
Les tensions induïdes en les tres fases del motor es mostren a la figura següent. La generació d'una forma d'ona trapezoidal es pot atribuir a la interacció específica entre el rotor i el stator. Quan el rotor gira en sentit antihorari, durant la rotació inicial de 120 graus des d'una posició de referència, tots els conductors superiors de la fase A interaccionen amb el pol sud del camp magnètic, mentre que tots els conductors inferiors de la fase A interactuen amb el pol nord.
Aquest acoblament magnètic consistent dins d'aquest rang angular porta a una tensió induïda relativament estable, contribuint a la part superior plana de la forma d'ona trapezoidal. A mesura que el rotor continua girant, els canvis en les orientacions del camp magnètic causen la transició de la tensió induïda, formant finalment la forma d'ona trapezoidal característica que és essencial per a la correcta operació i control del variador de motor de corrent contínua sense escovines.
Durant una rotació de 120 graus del rotor, la tensió induïda en la fase A roman relativament constant. Un cop la rotació excedeix els 120 graus, alguns dels conductors superiors de la fase A comencen a connectar-se amb el pol nord, mentre que altres continuen interactuant amb el pol sud. El mateix fenomen ocorre amb els conductors inferiors. Com a resultat, durant la rotació posterior de 60 graus, la tensió induïda en la fase A es reverteix linealment. Aquest patró de canvi de tensió es repeteix també en les fases B i C, creant un comportament elèctric coordinat essencial per a la operació del motor.
El sistema de variador de motor de corrent contínua sense escovines, tal com es mostra a la figura següent, consta d'un inversor de font de tensió juntament amb un motor PMAC trapezoidal. Les bobines del stator del motor estan configurades en una connexió en estrella. La figura també mostra la forma d'ona característica de la tensió de fase del motor PMAC trapezoidal, que reflecteix les dinàmiques úniques de la inducció de tensió descrites anteriorment. Aquesta forma d'ona és una característica clau que permet el control eficient i la operació del variador de motor de corrent contínua sense escovines, facilitant la producció suau de torsió i la regulació precisa de la velocitat.
Les bobines del stator del motor de corrent contínua sense escovines reben impulsos de corrent. Cada impuls té una durada de 120 graus elèctrics i està ubicat precisament en la regió on la tensió induïda roman constant i arriba al seu valor màxim. És crucial que la polaritat d'aquests impulsos de corrent coincideixi amb la de la tensió induïda, assegurant una interacció harmònica entre les entrades elèctriques i el camp magnètic generat pel motor.
El flux de l'intercanvi d'aire dins del motor es manté a un nivell constant, i la magnitud de la tensió induïda és directament proporcional a la velocitat de rotació del rotor. Aquesta relació és fonamental per a la operació del motor, ja que permet un control precís del rendiment del motor basat en la tensió induïda dependent de la velocitat, permetent una transferència eficient de potència i una operació suau en diverses condicions de funcionament.
Durant cada interval de 60 graus de funció, la corrent flueix cap a una fase de la bobina del stator del motor i surt d'una altra. Aquest patró alternant de flux de corrent és una característica clau de la operació del motor de corrent contínua sense escovines. Com a resultat, la potència suministrada al motor en cada un d'aquests intervals de 60 graus es pot expressar mitjançant la fórmula següent, que pren en compte la interacció entre la tensió i la corrent dins de les fases de bobinat.
La torsió desenvolupada pel motor
La forma d'ona de torsió del variador de motor de corrent contínua sense escovines es mostra a la figura següent. La magnitud de la torsió generada pel motor és directament proporcional a la corrent que flueix a través dels enllaços de corrent contínua. Aquesta relació és fonamental per a entendre el comportament dinàmic i les característiques de rendiment del motor.
El frenat regeneratiu en aquest sistema de propulsió s'aconsegueix invertint la corrent de fase. Quan la corrent de fase s'inverteix, la direcció de la font de corrent Id també canvia en conseqüència. Aquesta inversió inicia un flux de potència que comença al motor, passa a través de l'inversor i finalment retorna a la font de corrent contínua. Durant aquest procés, el motor actua com a generador, convertint l'energia mecànica de la càrrega en energia elèctrica, que es retroalimenta a la font d'energia. Això no només ajuda a desaccelerar el motor, sinó que també permet la recuperació i reutilització de l'energia, millorant l'eficiència general del sistema.
Quan la velocitat de rotació del sistema de propulsió es reverteix, la polaritat de les tensions induïdes dins del motor també es gira. Aquest canvi en la polaritat de la tensió activa el frenat regeneratiu, permetent al sistema de propulsió convertir l'energia mecànica de la càrrega en moviment en energia elèctrica que es pot retroalimentar a la font d'energia.
Per contra, revertir la direcció de la corrent que flueix a través de les bobines del motor inicia la operació de propulsió, impulsionant el motor en la direcció desitjada. Les formes d'ona de corrent corresponents a aquests modes d'operació diferents—frenat regeneratiu i propulsió—estan clarament representades a la figura següent, proporcionant una representació visual del comportament elèctric del sistema de propulsió en diferents condicions.
Tipus de Variador de Motor de Corrent Contínua Sense Escovines
El variador de motor de corrent contínua sense escovines es pot classificar principalment en dos tipus distintos: el variador de motor de corrent contínua sense escovines de baix cost i el variador de motor de corrent contínua sense escovines de monofase. Cada tipus té les seves pròpies característiques i principis operatius, que es detallen a continuació.
Variador de Motor de Corrent Contínua Sense Escovines de Baix Cost
El variador de motor de corrent contínua sense escovines de baix cost està dissenyat amb simplicitat i accessibilitat en ment. Disposa d'una configuració minimalista, consistint en només tres transistors i un conversor de tres diodes. Aquesta configuració limita el variador a suministrar només corrent o tensió positiva al motor trifàsic.
Durant la operació, la tensió induïda i la corrent juguen un paper crucial tant en la propulsió com en el frenat del motor. Quan es lliuren impulsos de corrent positiva de 120 graus al motor, s'inicia una acció de propulsió, fent que el motor giri en sentit antihorari. Per contra, quan aquests impulsos de corrent es desplaçen 60 graus a un total de 180 graus, el motor passa a un estat de frenat. Aquest canvi en el temps d'impulsos de corrent altera efectivament la interacció entre la entrada elèctrica i el camp magnètic del motor, permetent el canvi de la moció rotacional a un mecanisme de frenat.
Variador de Motor de Corrent Contínua Sense Escovines de Baix Cost: Mecanisme de Control de Corrent
En el variador de motor de corrent contínua sense escovines de baix cost, la corrent de la fase A es regula de manera precisa pel tiristor Tr1 i el diode D1. Quan el Tr1 s'activa (s'encén), la tensió de la font Vd es connecta a la bobina A. Aquesta connexió fa que la taxa de canvi de la corrent IA esdevingui positiva, volent dir que la corrent en la fase A comença a augmentar. Per contra, quan el Tr1 es desactiva (s'apaga), la corrent iA entra en un estat de rodament lliure a través del diode D1. Durant aquest procés de rodament lliure, la taxa de canvi de iA es torna negativa, i la corrent decreix gradualment.
Dins del període de temps de 0-120º, el Tr1 es pot encendre i apagar de manera alternada. Aquesta estratègia de commutació on-off s'utilitza per fer que la corrent real IA segueixi de manera estreta una corrent de referència rectangular iA, assegurant que la diferència entre elles romangui dins d'una banda d'histeresis predefinida. Aquest control precís ajuda a mantenir una operació estable del motor i una transferència eficient de la potència.
Variador de Motor de Corrent Contínua Sense Escovines de Monofase
La configuració del variador de motor de corrent contínua sense escovines de monofase es mostra a la figura següent. Per a l'anàlisi, assumiu que el motor està alimentat per un conversor de monofase de pont mig, que suministra una forma d'ona de corrent rectangular al motor, tal com es mostra en el diagrama adjunt. Aquesta forma d'ona de corrent específica juga un paper crucial en determinar les característiques de rendiment i el comportament operatiu del motor.
La torsió generada pel motor presenta fluctuacions significatives, sovint anomenades ripple de torsió. No obstant això, quan el motor funciona a velocitats altes, la inèrcia del sistema motor-càrrega actua com a filtre natural. Aquesta inèrcia inherent suavitza les variacions de torsió, permetent al motor mantenir una velocitat rotacional relativament uniforme malgrat la presència de ripple de torsió.
