ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव्स

परिभाषा

ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव को एक स्व-नियंत्रित चर आवृत्ति ड्राइव के रूप में परिभाषित किया जाता है, जो एक साइनसोइडल पर्मानेंट मैग्नेट एल्टरनेटिंग करंट (PMAC) मोटर का उपयोग करता है। इस प्रकार के ड्राइव कई उल्लेखनीय फायदे प्रदान करते हैं। व्यावहारिक रूप से रखरखाव-मुक्त, यह एक बढ़ा हुआ जीवनकाल का दावा करता है, जिससे इसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए एक विश्वसनीय विकल्प बनाता है। इसके अलावा, इसमें कम घूर्णन जड़त्व, न्यूनतम घर्षण और कम-आवृत्ति विशेषताएँ होती हैं। इसके अलावा, यह न्यूनतम रेडियो फ्रेक्वेंसी हस्तक्षेप और शोर उत्पन्न करता है, जिससे चालन और शांत संचालन सुनिश्चित होता है। हालांकि, इसमें कुछ कमजोरियाँ भी हैं; मुख्य सीमाएँ इसकी अपेक्षाकृत उच्च लागत और कम शुरुआती टोक हैं।

अनुप्रयोग

ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव विभिन्न उद्योगों और उपकरणों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में, इन्हें रिकॉर्ड प्लेयर, रिकॉर्डर के लिए टेप ड्राइव, और कंप्यूटर हार्ड डिस्क में स्पिंडल ड्राइव में उपयोग किया जाता है। इन्हें कंप्यूटर परिधीय उपकरणों और नियंत्रण प्रणालियों में कम शक्ति वाले ड्राइव के रूप में भी उपयोग किया जाता है। उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स से परे, इनके अनुप्रयोग विमानन उद्योग तक फैले हुए हैं, जहाँ विश्वसनीयता और कम-शोर चालन आवश्यक है। बायोमेडिकल क्षेत्र में, इनकी शुद्धता और स्वच्छ चालन विभिन्न चिकित्सा उपकरणों के लिए उपयुक्त बनाती है। इसके अलावा, इन्हें शीतलन पंखों को चलाने के लिए भी आमतौर पर उपयोग किया जाता है, जो अनेक प्रणालियों में कुशल और शांत वेंटिलेशन प्रदान करता है।

मोटर संरचना

नीचे दिए गए चित्र में एक तीन-धारा, दो-पोल ट्रेपेजोइडल PMAC मोटर का अनुप्रस्थ-खंड दर्शाया गया है, जो ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव का एक महत्वपूर्ण घटक है। मोटर में एक पर्मानेंट मैग्नेट रोटर होता है, जिसका विस्तारित पोल आर्क होता है, जो इसके कुशल संचालन में योगदान देता है। स्टेटर में तीन-पोल वाइंडिंग होती है, जिनमें से प्रत्येक 120 डिग्री की दूरी पर रखा जाता है। यह विशिष्ट वाइंडिंग विन्यास संतुलित विद्युत संचालन और चालक टोक का उत्पादन सुनिश्चित करता है। प्रत्येक धारा वाइंडिंग 60 डिग्री के दोनों ओर फैली होती है, जो मोटर के भीतर चुंबकीय क्षेत्र के प्रतिक्रिया को अनुकूलित करती है और इसकी गति और प्रदर्शन को नियंत्रित करने की सुविधा प्रदान करती है।

नीचे दिए गए चित्र में मोटर की तीन धाराओं में प्रेरित वोल्टेज दर्शाया गया है। ट्रेपेजोइडल तरंग रूप के उत्पादन को रोटर और स्टेटर के बीच विशिष्ट प्रतिक्रिया का श्रेय दिया जा सकता है। जब रोटर एक विपरीत दिशा में घूमता है, तो एक संदर्भ स्थिति से 120-डिग्री के घूर्णन के दौरान, धारा A के सभी ऊपरी चालक चुंबकीय क्षेत्र के दक्षिणी ध्रुव के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, जबकि धारा A के सभी निचले चालक उत्तरी ध्रुव के साथ प्रतिक्रिया करते हैं।

इस समान चुंबकीय कुंजीबंदी के भीतर यह विस्तार एक अपेक्षाकृत स्थिर प्रेरित वोल्टेज का योगदान देता है, जो ट्रेपेजोइडल तरंग रूप के ऊपरी भाग के लिए योगदान करता है। जैसे-जैसे रोटर घूमता है, बदलते चुंबकीय क्षेत्र के विन्यास के कारण प्रेरित वोल्टेज परिवर्तित होता है, अंततः ट्रेपेजोइडल आकार का उत्पादन करता है, जो ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव के उचित संचालन और नियंत्रण के लिए आवश्यक है।

रोटर के 120-डिग्री के घूर्णन के दौरान, धारा A में प्रेरित वोल्टेज अपेक्षाकृत स्थिर रहता है। जब घूर्णन 120 डिग्री से अधिक हो जाता है, तो धारा A के कुछ ऊपरी चालक उत्तरी ध्रुव के साथ जुड़ने शुरू करते हैं, जबकि अन्य दक्षिणी ध्रुव के साथ जुड़े रहते हैं। निचले चालकों के साथ भी यही घटना होती है। इस परिणामस्वरूप, अगले 60-डिग्री के घूर्णन के दौरान, धारा A में प्रेरित वोल्टेज रैखिक रूप से उलट जाता है। यह वोल्टेज परिवर्तन का पैटर्न धारा B और C में भी दर्शाया गया है, जो मोटर के संचालन के लिए आवश्यक समन्वित विद्युत व्यवहार उत्पन्न करता है।

नीचे दिए गए चित्र में ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव प्रणाली दर्शाया गया है, जिसमें एक वोल्टेज-स्रोत इन्वर्टर और एक ट्रेपेजोइडल PMAC मोटर शामिल है। मोटर की स्टेटर वाइंडिंग को एक स्टार कनेक्शन में व्यवस्थित किया गया है। चित्र ट्रेपेजोइडल PMAC मोटर के विशिष्ट धारा-वोल्टेज तरंग रूप को भी दर्शाता है, जो ऊपर वर्णित विशिष्ट वोल्टेज-प्रेरण गतिविधियों को प्रतिबिंबित करता है। यह तरंग रूप ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव के कुशल नियंत्रण और संचालन की सुविधा प्रदान करता है, जिससे चालक टोक का नियमित उत्पादन और गति का सटीक नियंत्रण संभव होता है।

ब्रशलेस डीसी मोटर की स्टेटर वाइंडिंग में धारा पल्स सप्लाय किए जाते हैं। प्रत्येक पल्स 120 विद्युत डिग्री की अवधि का होता है और उस क्षेत्र में सटीक रूप से स्थित होता है जहाँ प्रेरित वोल्टेज स्थिर रहता है और अपना अधिकतम मान प्राप्त करता है। महत्वपूर्ण रूप से, इन धारा पल्सों की ध्रुवता प्रेरित वोल्टेज के साथ संगत होती है, जिससे विद्युत इनपुट और मोटर द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र के बीच एक संगत प्रतिक्रिया सुनिश्चित होती है।

मोटर के वायु अंतराल में चुंबकीय फ्लक्स को एक स्थिर स्तर पर बनाया जाता है, और प्रेरित वोल्टेज का परिमाण रोटर की घूर्णन गति के सीधे आनुपातिक होता है। यह संबंध मोटर के संचालन के लिए मूलभूत है, क्योंकि यह गति-निर्भर प्रेरित वोल्टेज के आधार पर मोटर के प्रदर्शन को सटीक नियंत्रण की सुविधा प्रदान करता है, जिससे विद्युत शक्ति का कुशल स्थानांतरण और विभिन्न संचालन स्थितियों में चालन की निर्विघ्नता संभव होती है।

प्रत्येक 60-डिग्री की अवधि के दौरान, धारा मोटर की स्टेटर वाइंडिंग की एक धारा में प्रवेश करती है और दूसरी से निकलती है। यह विद्युत धारा प्रवाह का परिवर्ती पैटर्न ब्रशलेस डीसी मोटर के संचालन का एक महत्वपूर्ण विशेषता है। इस परिणामस्वरूप, 60-डिग्री की प्रत्येक अवधि के दौरान मोटर को सप्लाय की जाने वाली शक्ति को निम्नलिखित सूत्र द्वारा व्यक्त किया जा सकता है, जो वाइंडिंग धाराओं के बीच वोल्टेज और धारा के बीच की प्रतिक्रिया को ध्यान में रखता है।

मोटर द्वारा विकसित किया गया टोक

नीचे दिए गए चित्र में ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव का टोक तरंग रूप दर्शाया गया है। मोटर द्वारा उत्पन्न टोक का परिमाण DC विद्युत लिंकों में प्रवाहित होने वाली धारा के सीधे आनुपातिक होता है। यह संबंध मोटर के गतिशील व्यवहार और प्रदर्शन विशेषताओं को समझने के लिए मूलभूत है।

इस ड्राइव प्रणाली में पुनर्जनन ब्रेकिंग धारा धारा को उलटने द्वारा प्राप्त की जाती है। जब धारा धारा उलट दी जाती है, तो धारा स्रोत Id की दिशा भी उसी तरह बदल जाती है। यह उलटाव एक शक्ति प्रवाह शुरू करता है, जो मोटर से शुरू होता है, इन्वर्टर से गुजरता है, और अंततः DC स्रोत तक लौट आता है। इस प्रक्रिया के दौरान, मोटर एक जेनरेटर की तरह कार्य करता है, जो लोड से यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है, जो फिर विद्युत सप्लाई में वापस लौट आती है। यह न केवल मोटर को धीमा करने में मदद करता है, बल्कि ऊर्जा की पुनर्प्राप्ति और पुनर्उपयोग की भी सुविधा प्रदान करता है, जिससे प्रणाली की कुल दक्षता में वृद्धि होती है।

जब ड्राइव प्रणाली की घूर्णन गति उलट दी जाती है, तो मोटर के भीतर प्रेरित वोल्टेजों की ध्रुवता भी उलट जाती है। यह वोल्टेज ध्रुवता का बदलाव पुनर्जनन ब्रेकिंग कार्य को सक्षम करता है, जिससे ड्राइव लोड की यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित कर सकता है, जो फिर विद्युत सप्लाई में वापस लौट आती है।

इसके विपरीत, मोटर की वाइंडिंगों में प्रवाहित होने वाली धारा की दिशा को उलटने से मोटर कार्य शुरू होता है, जो मोटर को वांछित दिशा में चलाता है। इन विभिन्न संचालन अवस्थाओं—पुनर्जनन ब्रेकिंग और मोटरिंग—के लिए धारा तरंग रूपों को नीचे दिए गए चित्र में स्पष्ट रूप से दर्शाया गया है, जो विभिन्न स्थितियों के तहत ड्राइव प्रणाली के विद्युत व्यवहार का दृश्य रूप प्रदान करता है।

ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव के प्रकार

ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव को मुख्य रूप से दो विभिन्न प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है: कम-लागत ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव और एक-धारा ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव। प्रत्येक प्रकार के अपने अपने विशिष्ट विशेषताएँ और संचालन सिद्धांत होते हैं, जो नीचे विस्तार से वर्णित हैं।

कम-लागत ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव

कम-लागत ब्रशलेस डीसी मोटर ड्राइव को सरलता और कीमतीयता के ध्यान में डिजाइन किया गया है। इसमें एक न्यूनतम विन्यास होता है, जिसमें केवल तीन ट्रांजिस्टर और तीन-डायोड कन्वर्टर शामिल होते हैं। यह व्यवस्था ड्राइव को तीन-धारा मोटर को केवल सकारात्मक धारा या वोल्टेज सप्लाय करने की सीमा रखती है।

संचालन के दौरान, प्रेरित वोल्टेज और धारा दोनों मोटरिंग और ब्रेकिंग कार्यों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। जब 120-डिग्री सकारात्मक धारा पल्स मोटर को दिए जाते हैं, तो यह एक मोटरिंग कार्य शुरू करता है, जिससे मोटर विपरीत दिशा में घूमना शुरू होता है। इसके विपरीत, जब