Sähköiset suorahajontamotorigeneraattorit

Määritelmä

Virtasuoja DC-moottorinajain on määritelty itseohjautuvana muuttuvana taajuusnajakkeena, joka käyttää siniusmuotoista pysyvän magneetin vaihtovirtamoottoria (PMAC). Tämä tyyppi tarjoaa useita huomattavia etuja. Ylläpitovapaa käytännössä, sillä on pidentyn elinkaari, mikä tekee siitä luotettavan valinnan eri sovelluksissa. Lisäksi sillä on pieni kiertoinertia, vähäinen kitka ja se toimii matalilla taajuuspiirteillä. Lisäksi se tuottaa vähän radiofrekvenssihäiriötä ja melua, mikä takaa sujuvan ja hiljan toiminnan. Kuitenkin sillä on myös puutteita; pääasialliset rajoitukset ovat sen suhteellisen korkea hinta ja alhainen lähtötorkki.

Sovellukset

Virtasuoja DC-moottorinajaimia käytetään laajasti monenlaisissa teollisuudenaloissa ja laitteissa. Kuluttajaelektroniikassa niitä käytetään levysoittimiin, nauhosovittimiin äänityslaitteisiin ja kiintolevyjen akseleiden najaajiin tietokoneissa. Ne toimivat myös pienvoimaisina najaajina tietokoneen lisälaitteissa ja ohjausjärjestelmissä. Kuluttajaelektroniikan ulkopuolella niiden sovellukset ulottuvat avaruusteollisuuteen, jossa luotettavuus ja hiljaisuus ovat olennaisia. Lääketieteellisessä alalla niiden tarkkuus ja puhdas toiminta tekevät niistä sopivia erilaisille lääketieteellisiin laitteisiin. Lisäksi niitä käytetään yleisesti jäähdytysventtiileiden ajamiseen, tarjoten tehokasta ja hiljasta ilmanvaihtoa monissa järjestelmissä.

Moottorin rakenne

Alla oleva kuva havainnollistaa kolmifaseisen, kahden naparistikon trapetsimuotoisen PMAC-moottorin poikkileikkausta, joka on virtasuoja DC-moottorinajaimen keskeinen komponentti. Moottori on varustettu pysyvän magneetin rotorilla, jolla on leveä napajano, mikä edistää sen tehokasta toimintaa. Statorissa on kolme naparistikon kierrosta, jotka sijaitsevat 120 astetta toisistaan. Tämä tietyt kierroskonfiguraatio takaa tasapainoisen sähköisen toiminnan ja sujuvan torquen tuotannon. Jokainen vaiheen kierros ulottuu 60 astetta molempiin suuntiin, optimoien siihen liittyvän magneettikentän vuorovaikutuksen moottorissa ja mahdollistaen tarkan ohjaamisen nopeudesta ja suorituksesta.

Kuva alla näyttää kolmen vaiheen moottorissa aiheutuneet jännitteet. Trapetsimuotoisen aallonmuodon syntymisen voi syyttää rotorin ja statorin väliseen tietylle vuorovaikutukseen. Kun rotaatti pyörii vastapäivään, ensimmäiset 120 astetta viitekohtaan verrattuna kaikki vaiheen A yläjohtimet vuorovaikuttavat magneettikentän etelänapaan, kun taas kaikki vaiheen A alajohtimet vuorovaikuttavat pohjoisnapaan. 

Tämä jatkuva magneettinen kytkentä tässä kulmassa johtaa suhteellisen vakaiseen aiheutuneeseen jännitteeseen, mikä vaikuttaa trapetsimuotoisen aallonmuodon tasaiseen osaan. Kun rotaatti jatkaa pyörimistään, muuttuvat magneettikentän suunnat aiheuttavat aiheutuneen jännitteen siirtymisen, lopulta muodostaen merkittävän trapetsimuotoisen muodon, joka on olennainen virtasuoja DC-moottorinajaimen asianmukaiselle toiminnalle ja ohjaukselle.

Rotorin 120 asteen pyörimisen aikana vaiheen A aiheutunut jännite pysyy suhteellisen vakaina. Kun pyöriminen ylittää 120 astetta, osa vaiheen A yläjohtimista alkavat linkittää pohjoisnapaan, samalla kun toiset jatkavat vuorovaikutusta etelänapaan. Samankaltainen ilmiö tapahtuu myös alajohtimissa. Tämän seurauksena seuraavien 60 asteen pyörimisen aikana vaiheen A aiheutunut jännite kääntyy lineaarisesti. Tämä jännitteen muutosmalli heijastuu myös vaiheisiin B ja C, luoden koordinoidun sähköisen käyttäytymisen, joka on olennainen moottorin toiminnalle.

Virtasuoja DC-moottorinajainjärjestelmä, kuten alla oleva kuva havainnollistaa, koostuu jännitelähteen inverteristä, joka on kytketty trapetsimuotoiseen PMAC-moottoriin. Moottorin statorin kierrokset on konfiguroitu tähdistä. Kuva näyttää myös trapetsimuotoisen PMAC-moottorin ominaisen vaiheen jännite-aaltoformin, joka heijastaa yllä kuvattuja ainutlaatuisia jännitteen aiheutumisdynaamikoita. Tämä aaltoforma on avainominaisuus, joka mahdollistaa virtasuoja DC-moottorinajaimen tehokkaan ohjauksen ja toiminnan, helpottaen sujuvaa torquen tuotantoa ja tarkkaa nopeuden säätelyä.

Virtasuoja DC-moottorin statorin kierrokset ruiskutetaan sähkönsyötteillä. Jokainen syöttö kestää 120 elektrista astetta ja on tarkasti sijoitettu alueelle, jossa aiheutunut jännite pysyy vakaina ja saavuttaa maksimiarvonsa. Olennaisesti nämä sähkönsyötteiden polaarisuudet ovat yhdenmukaisia aiheutuneen jännitteen kanssa, varmistamalla sähköisten syötteiden ja moottorin tuottaman magneettikentän harmonisen vuorovaikutuksen.

Ilmakappaleen fluxi moottorissa on ylläpidetty tasaisella tasolla, ja aiheutuneen jännitteen suuruus on suoraan verrannollinen rotorin pyörimisnopeuteen. Tämä suhde on perustavanlaatuinen moottorin toiminnalle, sillä se mahdollistaa tarkan ohjaamisen moottorin suorituskykyä koskien nopeudesta riippuvaan aiheutuneeseen jännitteeseen, mahdollistaen tehokkaan energian siirron ja sujuvan toiminnan eri toimintatilanteissa.

Jokaisen 60 asteen välin aikana sähkö virtaa yhden vaiheen moottorin statorin kierrokselle ja poistuu toisesta. Tämä vaihtoehtoinen sähkövirtausmalli on virtasuoja DC-moottorin toiminnan avainominaisuus. Tämän seurauksena moottoriin annettava voima jokaisessa 60 asteen välissä voidaan ilmaista seuraavalla kaavalla, joka ottaa huomioon jännitteen ja sähkön vuorovaikutuksen kierrosfaseissa.

Moottorin tuottama torkki

Virtasuoja DC-moottorinajaimen torquen aaltoforma on havainnollistettu alla olevassa kuvassa. Moottorin tuottaman torkin suuruus on suoraan verrannollinen sähkövirtaan, joka virtaa DC-energian välitteitä pitkin. Tämä suhde on perustavanlaatuinen ymmärtääksemme moottorin dynaamista käyttäytymistä ja suorituskykyä.

Regeneratiivinen jarrutus tässä ajainjärjestelmässä saavutetaan vaiheen sähkövirran kääntämällä. Kun vaiheen sähkövirta kääntyy, sähkövirtalähteen Id suunta muuttuu myös. Tämä kääntyminen aloittaa energian virtauksen, joka alkaa moottorista, kulkee inverterin kautta ja palaa lopulta DC-lähteen. Tässä prosessissa moottori toimii generaattorina, muuntaen mekaanista energiaa ladusta sähköenergiaksi, joka palautetaan sitten sähköverkkoon. Tämä ei ainoastaan auta moottorin hidastamisessa, vaan sallii myös energian palauttamisen ja uudelleenkäytön, parantamalla siten järjestelmän kokonaistehokkuutta.

Kun ajainjärjestelmän pyörimisnopeus kääntyy, moottorin sisällä aiheutuneiden jännitteiden polariteetti myös kääntyy. Tämä jännitteen polariteetin muutos käynnistää regeneratiivisen jarrutustoiminnon, mahdollistaen ajainjärjestelmän muuntaa liikkuvan ladin mekaanista energiaa sähköenergiaksi, joka palautetaan sähköverkkoon.

Toisaalta, kun sähkövirta, joka virtaa moottorin kierroksia pitkin, kääntyy, se aloittaa moottoritoiminnan, työntäen moottorin haluttuun suuntaan. Sähkövirta-aallokset, jotka vastaavat näitä eri toimintatiloja – regeneratiivinen jarrutus ja moottoritoiminta – on selkeästi havainnollistettu alla olevassa kuvassa, tarjoten visuaalisen esityksen ajainjärjestelmän sähköisestä käyttäytymisestä eri olosuhteissa.

Virtasuoja DC-moottorinajaintyypit

Virtasuoja DC-moottorinajain voidaan pääasiassa luokitella kahdeksi erilliseksi tyypiksi: edulliseksi virtasuoja DC-moottorinajain ja yksivaiheiseksi virtasuoja DC-moottorinajain. Jokaisella tyypillä on omat ainutlaatuiset ominaisuudet ja toimintaperiaatteensa, jotka on yksityiskohtaisesti kuvattu alla.

Edullinen virtasuoja DC-moottorinajain

Edullinen virtasuoja DC-moottorinajain on suunniteltu yksinkertaisuuden ja edullisuuden ajatellen. Se sisältää minimaalisen konfiguraation, joka koostuu vain kolmesta transistorista ja kolmesta diodista. Tämä asetus rajoittaa ajain antamaan vain positiivista sähkövirtaa tai jännitettä kolmifaseiseen moottoriin.

Toiminnassa aiheutunut jännite ja sähkövirta ovat keskeisiä molemmissa moottoritoiminnassa ja jarrutuksessa. Kun 120 asteen positiiviset sähkövirtasyöttöt annetaan moottorille, ne aloittavat moottoritoiminnan, saaden moottorin pyörimään vastapäivään. Vastavasti, kun nämä sähkövirtasyöttöt siirtyvät 60 astetta kokonaisuudessaan 180 astetta, moottori siirtyy jarrutustilaan. Tämä sähkövirtasyöttöjen ajoituksen muutos tehokkaasti muuttaa sähköisen syötteen ja moottorin magneettikentän välistä vuorovaikutusta, mahdollistaen siirtymisen pyörimisestä jarrutukseen.

Edullinen virtasuoja DC-moottorinajain: Sähkövirtaohjausmekanismi

Edullisessa virtasuoja DC-moottorinajaimessa vaiheen A sähkövirta ohjataan tarkasti thyristorin Tr1 ja diodin D1 avulla. Kun Tr1 aktivoituu (kytketään päälle), lähtöjännite Vd yhdistetään kierroksen A kautta. Tämä yhteys aiheuttaa sähkövirran IA muutosnopeuden positiiviseksi, mikä tarkoittaa, että vaiheen A sähkövirta alkaa kasvaa. Vastavasti, kun Tr1 deaktivoituu (kytketään pois), sähkövirta iA menee vapavirta-tilaan diodin D1 kautta. Tässä vapavirta-prosessissa sähkövirran iA muutosnopeus muuttuu negatiiviseksi, ja sähkövirta vähenee asteittain.

0-120º ajanjakson aikana Tr1 voidaan kytkiä päälle ja pois päältä vaihtoehtoisesti. Tämä päälle-pois päältä-kytkemistrategia käytetään tekemään todellinen sähkövirta IA seuraamaan suoraviivaisesti viitetekstiä iA, varmistaen, että ero niiden välillä pysyy määritellyssä hystereesipisteessä. Tämä tarkka ohjaus auttaa ylläpitämään vakaita moottorin toimintaa ja tehokasta energiansiirtoa.

Yksivaiheinen virtasuoja DC-moottorinajain

Yksivaiheisen virtasuoja DC-moottorinajaimen konfiguraatio on havainnollistettu alla olevassa kuvassa. Analyysin tarkoituksessa oletetaan, että moottori toimitetaan puolipuolen yksivaiheisella konverterillä, joka antaa suoraviivaisen sähkövirta-aallonmoottorille, kuten vieressä oleva diagrammi näyttää. Tämä tietty sähkövirta-aalto on keskeinen määrittämässä moottorin suorituskykyä ja toimintakäyttäytymistä.

Moottorin tuottama torkki näyttää merkittäviä fluktuazioita, joita kutsutaan yleensä torkkipulssiin. Kuitenkin, kun moottori toimii korkeilla nopeuksilla, moottori-ladun inertiat toimivat luonnollisena suodattimena. Tämä luontainen inertia tasoittaa torkkipulssien vaihteluja, mahdollistaen moottorin ylläpitämisen suhteellisen tasaisena pyörimisnopeutena huolimatta torkkipulssien läsnäolosta.