Bezšetřiveční motory s ovládáním

Definice

Beštětivý stejnosměrný motor je definován jako samočinný čidlo s proměnnou frekvencí, které využívá sinusoidální stálý magnetický střídavý motor (PMAC). Tento typ čidla nabízí několik významných výhod. Prakticky údržbové, má prodlouženou životnost, což z něj dělá spolehlivou volbu pro různé aplikace. Kromě toho má malou rotační inertii, minimální tření a funguje s nízkofrekvenčními charakteristikami. Navíc generuje minimální radiofrekvenční rušení a hluk, což zajišťuje hladkou a tichou operaci. Nicméně není bez svých nedostatků; hlavní omezení jsou jeho relativně vysoká cena a nízký počáteční moment.

Aplikace

Beštětivé stejnosměrné motory se používají v širokém rozsahu průmyslů a zařízení. V oblasti spotřebitelské elektroniky jsou používány v gramofonech, páskových mechanizmách pro kazetové přehrávače a spojkových mechanizmách v pevných disku počítačů. Slouží také jako nízkovýkonové pohony v periferních přístrojích a řídicích systémech počítačů. Mimo spotřebitelskou elektroniku se jejich aplikace rozšiřují do leteckého průmyslu, kde je spolehlivost a nízký hluk klíčové. V biomedicíně jim přesnost a čistá operace umožňují použití v různých lékařských zařízeních. Kromě toho se často používají k pohonu chladicích ventilátorů, poskytují efektivní a tichou ventilaci v mnoha systémech.

Konstrukce motoru

Následující obrázek znázorňuje řez třífázovým, dvoupólovým lichoběžným PMAC motorem, který je klíčovou součástí beštětivého stejnosměrného pohonu. Motor má rotor s permanentním magnety s širokým pólovým obloukem, což přispívá k jeho efektivnímu chodu. Stator je vybaven třemi fázovými vinutími, každý od sebe posunutý o 120 stupňů. Tato specifická konfigurace vinutí zajišťuje vyváženou elektrickou operaci a hladkou produkci momentu. Každé fázové vinutí sahá 60 stupňů na každé straně, což optimalizuje interakci magnetického pole uvnitř motoru a umožňuje přesné řízení jeho rychlosti a výkonu.

Napětí vyvolané ve třech fázích motoru jsou znázorněny na následujícím obrázku. Generování lichoběžného průběhu lze připsat specifické interakci mezi rotorem a statorem. Když rotor otáčí proti směru hodinových ručiček, během prvních 120 stupňů otáčení z referenční polohy, všechny horní vodiče fáze A interagují s jižním pólem magnetického pole, zatímco všechny dolní vodiče fáze A se zapojují s severním pólem.

Toto konstantní magnetické spojení v tomto úhlovém rozsahu vedlo k relativně stabilnímu vyvolanému napětí, což přispívá k rovné horní části lichoběžného průběhu. Jak rotor pokračuje v otáčení, změněné orientace magnetického pole způsobí, že vyvolané napětí přechází, nakonec tvoře charakteristický lichoběžný tvar, který je nezbytný pro správnou operaci a řízení beštětivého stejnosměrného pohonu.

Během 120 stupňů otáčení rotoru zůstává napětí vyvolané v fázi A relativně konstantní. Jakmile otáčení přesáhne 120 stupňů, některé horní vodiče fáze A začnou propojovat se severním pólem, zatímco jiné pokračují v interakci s jižním pólem. Stejný fenomén nastává i u dolních vodičů. V důsledku toho během následujících 60 stupňů otáčení napětí vyvolané v fázi A lineárně obrátí. Tento vzor změny napětí je zrcadlen i v fázích B a C, což vytváří koordinované elektrické chování nezbytné pro chod motoru.

Systém beštětivého stejnosměrného pohonu, jak je znázorněno na následujícím obrázku, se skládá z inverteru s napěťovým zdrojem spárovaným s lichoběžným PMAC motorem. Statorová vinutí motoru jsou konfigurována v hvězdicovém spojení. Obrázek také zobrazuje charakteristický fázový průběh napětí lichoběžného PMAC motoru, který odráží jedinečné dynamiky vyvolávání napětí popsané výše. Tento průběh je klíčovou funkcí, která umožňuje efektivní řízení a chod beštětivého stejnosměrného pohonu, podporuje hladkou produkci momentu a přesné regulace rychlosti.

Statorová vinutí beštětivého stejnosměrného motoru jsou zásobovány impulsy proudů. Každý impulz trvá 120 elektrických stupňů a je přesně umístěn v oblasti, kde vyvolané napětí zůstává konstantní a dosahuje své maximální hodnoty. Zásadní je, že polarita těchto impulsů proudu odpovídá polaritě vyvolaného napětí, což zajišťuje harmonickou interakci mezi elektrickými vstupy a magnetickým polem generovaným motorem.

Proudový tok v meziprostoru motoru je udržován na konstantní úrovni, a velikost vyvolaného napětí je přímo úměrná otáčkové rychlosti rotoru. Toto vztah je zásadní pro chod motoru, protože umožňuje přesné řízení výkonu motoru na základě rychlostně závislého vyvolaného napětí, což umožňuje efektivní přenos energie a hladkou operaci v různých pracovních podmínkách.

Během každého 60 stupňů intervalu operace proud teče do jedné fáze statorového vinutí motoru a opouští jinou. Tento alternující proudový tok je klíčovou charakteristikou operace beštětivého stejnosměrného motoru. V důsledku toho může být výkon dodávaný motoru v každém z těchto 60 stupňů intervalů vyjádřen následující formulí, která berou v úvahu interakci mezi napětím a proudem v fázích vinutí.

Moment vyvinutý motorem

Průběh momentu beštětivého stejnosměrného pohonu je znázorněn na následujícím obrázku. Velikost momentu vygenerovaného motorem je přímo úměrná proudu tečícímu DC napájecími linkami. Tento vztah je zásadní pro porozumění dynamickému chování a výkonnostním charakteristikám motoru.

Regenerativní brzdění v tomto pohonovém systému je dosaženo reverzí fázového proudu. Když je fázový proud reverzován, směr zdroje proudu Id se také změní. Tato reverze iniciuje proudový tok, který začíná u motoru, pokračuje skrz inverter a nakonec se vrátí k DC zdroji. Během tohoto procesu motor působí jako generátor, převádí mechanickou energii z nákladu na elektrickou energii, která je pak vracena do napájecí sítě. To nejen pomáhá dekelerovat motor, ale také umožňuje obnovu a opětovné použití energie, což zvyšuje celkovou efektivitu systému.

Když je otáčková rychlost pohonového systému reverzována, polarita vyvolaných napětí v motoru se také obrátí. Tato změna polarit napětí spustí regenerativní brzdění, umožňující pohon převést mechanickou energii pohybujícího se nákladu na elektrickou energii, která může být vracena do napájecí sítě.

Naopak reverze směru proudu tečícího skrz vinutí motoru iniciovala motorní operaci, pohánějící motor v požadovaném směru. Proudy odpovídající těmto odlišným režimům—regenerativní brzdění a motorní operace—jsou jasně znázorněny na následujícím obrázku, poskytují vizuální reprezentaci elektrického chování pohonového systému v různých podmínkách.

Typy beštětivého stejnosměrného pohonu

Beštětivý stejnosměrný pohon lze primárně rozdělit do dvou odlišných typů: levného beštětivého stejnosměrného pohonu a jednofázového beštětivého stejnosměrného pohonu. Každý typ má své vlastní unikátní charakteristiky a operační principy, které jsou detailně popsány níže.

Levý beštětivý stejnosměrný pohon

Levý beštětivý stejnosměrný pohon je navržen s ohledem na jednoduchost a cenovou dostupnost. Obsahuje minimalistickou konfiguraci složenou pouze ze tří tranzistorů a tří diodového převodníku. Tento setup omezuje pohon na dodávání pouze kladného proudu nebo napětí třífázovému motoru.

Během operace hrají vyvolané napětí a proud klíčovou roli v motorní a brzdicí funkci motoru. Když jsou 120 stupňů kladné impulsy proudu dodávány motoru, iniciuje to motorní akci, která způsobí, že motor otáčí proti směru hodinových ručiček. Naopak, když jsou tyto impulsy proudu posunuty o 60 stupňů na celkových 180 stupňů, motor přechází do brzdicího stavu. Tato změna v časování impulsů proudu efektivně mění interakci mezi elektrickým vstupem a magnetickým polem motoru, umožňující přechod z rotačního pohybu na brzdicí mechanismus.

Levý beštětivý stejnosměrný pohon: Mechanismus řízení proudu

V levém beštětivém stejnosměrném pohonu je proud fáze A přesně regulován thyristorem Tr1 a diodou D1. Když je Tr1 aktivován (zapnut), zdrojové napětí Vd je připojeno k vinutí A. Toto spojení způsobí, že rychlost změny proudu IA se stane kladná, což znamená, že proud v fázi A začne rostoucí. Naopak, když je Tr1 deaktivován (vypnut), proud iA vstupuje do freewheeling stavu skrz diodu D1. Během tohoto freewheeling procesu se rychlost změny iA stane záporná, a proud postupně slábne.

Během 0 - 120º časového intervalu lze Tr1 střídat v zapnutém a vypnutém stavu. Tento strategie střídání on-off je používána k tomu, aby skutečný proud IA blízce sledoval obdélníkový referenční proud iA, zajistí, aby rozdíl mezi nimi zůstal uvnitř předdefinované hysteretické pásmo. Toto přesné řízení pomáhá udržovat stabilní chod motoru a efektivní přenos energie.

Jednofázový beštětivý stejnosměrný pohon

Konfigurace jednofázového beštětivého stejnosměrného pohonu je znázorněna na následujícím obrázku. Pro analýzu předpokládejme, že motor je napájen polopontovým jednofázovým převodníkem, který dodává obdélníkový průběh proudu motoru, jak je znázorněno na doprovodném diagramu. Tento specifický průběh proudu hraje klíčovou roli v určení výkonnostních charakteristik a operačního chování motoru.

Moment vygenerovaný motorem vykazuje výrazné fluktuace, často označované jako fluktuace momentu. Nicméně, když motor pracuje na vysokých rychlostech, inercie motor-náklad systému působí jako přirozený filtr. Tato vnitřní inercie vyhlazuje fluktuace momentu, umožňující motoru udržovat relativně uniformní otáčkovou rychlost, navzdory přítomnosti fluktuací momentu.