Motori a Corrente Continua Senza Spazzole
Definizione
Un motore a corrente continua senza spazzole è definito come un inverter a frequenza variabile autocontrollato che utilizza un motore alternativo a corrente continua (PMAC) sinusoidale. Questo tipo di inverter offre diversi vantaggi notevoli. Praticamente privo di manutenzione, presenta una lunga durata, rendendolo una scelta affidabile per varie applicazioni. Inoltre, presenta un'inerzia rotazionale bassa, attrito minimo e funziona con caratteristiche a bassa frequenza. Inoltre, genera minima interferenza radio e rumore, garantendo un funzionamento liscio e silenzioso. Tuttavia, non è esente da svantaggi; le principali limitazioni sono il costo relativamente elevato e la bassa coppia di avviamento.
Applicazioni
Gli inverter a corrente continua senza spazzole trovano ampio impiego in una vasta gamma di settori e dispositivi. Nel campo dell'elettronica di consumo, vengono utilizzati in giradischi, unità a nastro per registratori e motori di lettura in hard disk di computer. Svolgono anche il ruolo di inverter a bassa potenza in strumenti periferici e sistemi di controllo informatici. Oltre all'elettronica di consumo, le loro applicazioni si estendono all'industria aerospaziale, dove affidabilità e funzionamento a basso rumore sono fondamentali. Nel campo biomedico, la loro precisione e pulizia operativa li rendono adatti a vari dispositivi medici. Inoltre, vengono comunemente utilizzati per azionare ventilatori di raffreddamento, fornendo ventilazione efficiente e silenziosa in numerosi sistemi.
Struttura del motore
La figura sottostante illustra la sezione trasversale di un motore PMAC trapezoidale trifase e bipolare, che è un componente chiave dell'inverter a corrente continua senza spazzole. Il motore presenta un rotore a magnete permanente con un arco polare ampio, che contribuisce al suo funzionamento efficiente. Lo statore è dotato di tre avvolgimenti disposti a 120 gradi l'uno dall'altro. Questa configurazione specifica garantisce un funzionamento elettrico bilanciato e una produzione di coppia fluida. Ogni avvolgimento di fase copre 60 gradi su ciascun lato, ottimizzando l'interazione del campo magnetico all'interno del motore e consentendo un controllo preciso della sua velocità e prestazioni.
Le tensioni indotte nelle tre fasi del motore sono rappresentate nella figura sottostante. La generazione di un'onda trapezoidale può essere attribuita all'interazione specifica tra il rotore e lo statore. Quando il rotore ruota in senso antiorario, durante i primi 120 gradi di rotazione da una posizione di riferimento, tutti i conduttori superiori della fase A interagiscono con il polo sud del campo magnetico, mentre tutti i conduttori inferiori della fase A interagiscono con il polo nord.
Questa accoppiatura magnetica costante all'interno di questo intervallo angolare porta a una tensione indotta relativamente stabile, contribuendo alla parte superiore piatta dell'onda trapezoidale. Man mano che il rotore continua a ruotare, le variazioni delle orientazioni del campo magnetico causano la transizione della tensione indotta, formando infine la forma caratteristica trapezoidale essenziale per il corretto funzionamento e controllo dell'inverter a corrente continua senza spazzole.
Durante una rotazione di 120 gradi del rotore, la tensione indotta nella fase A rimane relativamente costante. Una volta superati i 120 gradi, alcuni dei conduttori superiori della fase A iniziano a collegarsi con il polo nord, mentre altri continuano a interagire con il polo sud. Lo stesso fenomeno si verifica con i conduttori inferiori. Di conseguenza, durante i successivi 60 gradi di rotazione, la tensione indotta nella fase A si inverte linearmente. Questo schema di variazione della tensione si ripete anche nelle fasi B e C, creando un comportamento elettrico coordinato essenziale per il funzionamento del motore.
Il sistema di inverter a corrente continua senza spazzole, come illustrato nella figura sottostante, consiste in un inverter a sorgente di tensione abbinato a un motore PMAC trapezoidale. Gli avvolgimenti dello statore del motore sono configurati in una connessione a stella. La figura mostra anche l'onda caratteristica di tensione di fase del motore PMAC trapezoidale, che riflette la dinamica unica di induzione di tensione descritta sopra. Questa onda è una caratteristica chiave che consente il controllo efficiente e il funzionamento dell'inverter a corrente continua senza spazzole, facilitando la produzione di coppia fluida e la regolazione precisa della velocità.
Gli avvolgimenti dello statore del motore a corrente continua senza spazzole sono alimentati con impulsi di corrente. Ogni impulso ha una durata di 120 gradi elettrici ed è posizionato con precisione nell'area in cui la tensione indotta rimane costante e raggiunge il suo valore massimo. Fondamentalmente, la polarità di questi impulsi di corrente è allineata con quella della tensione indotta, assicurando un'interazione armoniosa tra gli ingressi elettrici e il campo magnetico generato dal motore.
Il flusso di aria nel motore è mantenuto a un livello costante, e la magnitudine della tensione indotta è direttamente proporzionale alla velocità rotazionale del rotore. Questa relazione è fondamentale per il funzionamento del motore, poiché permette un controllo accurato delle sue prestazioni in base alla tensione indotta dipendente dalla velocità, consentendo un trasferimento di energia efficiente e un funzionamento fluido in varie condizioni operative.
Durante ogni intervallo di 60 gradi di funzionamento, la corrente scorre in una fase degli avvolgimenti dello statore del motore ed esce da un'altra. Questo schema di flusso di corrente alternato è una caratteristica chiave del funzionamento del motore a corrente continua senza spazzole. Di conseguenza, la potenza fornita al motore in ciascuno di questi intervalli di 60 gradi può essere espressa dalla seguente formula, che tiene conto dell'interazione tra la tensione e la corrente all'interno delle fasi degli avvolgimenti.
La coppia sviluppata dal motore
L'onda di coppia dell'inverter a corrente continua senza spazzole è illustrata nella figura sottostante. La magnitudine della coppia generata dal motore è direttamente proporzionale alla corrente che scorre attraverso i collegamenti a corrente continua. Questa relazione è fondamentale per comprendere il comportamento dinamico e le caratteristiche di prestazione del motore.
Il frenaggio rigenerativo in questo sistema di inverter viene ottenuto invertendo la corrente di fase. Quando la corrente di fase viene invertita, la direzione della sorgente di corrente Id cambia di conseguenza. Questa inversione inizia un flusso di potenza che parte dal motore, passa attraverso l'inverter e ritorna alla sorgente continua. Durante questo processo, il motore agisce come un generatore, convertendo l'energia meccanica dal carico in energia elettrica, che viene poi restituita all'alimentazione. Questo non solo aiuta a decelerare il motore, ma permette anche il recupero e la riutilizzazione dell'energia, migliorando l'efficienza complessiva del sistema.
Quando la velocità rotazionale del sistema di inverter viene invertita, la polarità delle tensioni indotte all'interno del motore si capovolge. Questo cambiamento nella polarità della tensione attiva il frenaggio rigenerativo, consentendo al sistema di convertire l'energia meccanica del carico in movimento in energia elettrica che può essere restituita all'alimentazione.
Inversamente, invertendo la direzione della corrente che scorre negli avvolgimenti del motore si inizia l'operazione di trazione, muovendo il motore nella direzione desiderata. Le onde di corrente corrispondenti a queste modalità operative distinte—frenaggio rigenerativo e trazione—sono chiaramente illustrate nella figura sottostante, fornendo una rappresentazione visiva del comportamento elettrico del sistema di inverter in diverse condizioni.
Tipi di inverter a corrente continua senza spazzole
L'inverter a corrente continua senza spazzole può essere principalmente categorizzato in due tipi distinti: l'inverter a corrente continua senza spazzole a basso costo e l'inverter a corrente continua senza spazzole monofase. Ogni tipo ha le proprie caratteristiche uniche e principi operativi, che sono dettagliati di seguito.
Inverter a corrente continua senza spazzole a basso costo
L'inverter a corrente continua senza spazzole a basso costo è progettato con semplicità e economicità in mente. Presenta una configurazione minimalista, composta da soli tre transistor e un convertitore a tre diodi. Questa configurazione limita l'inverter a fornire solo corrente o tensione positiva al motore trifase.
Durante il funzionamento, la tensione e la corrente indotte svolgono un ruolo cruciale sia per le funzioni di trazione che di frenatura del motore. Quando impulsi di corrente positiva di 120 gradi vengono forniti al motore, si inizia un'azione di trazione, causando la rotazione del motore in senso antiorario. Inversamente, quando questi impulsi di corrente vengono spostati di 60 gradi per un totale di 180 gradi, il motore passa in uno stato di frenatura. Questo cambiamento nel timing degli impulsi di corrente modifica efficacemente l'interazione tra l'ingresso elettrico e il campo magnetico del motore, consentendo il passaggio dal moto rotatorio a un meccanismo di frenatura.
Inverter a corrente continua senza spazzole a basso costo: meccanismo di controllo della corrente
Nell'inverter a corrente continua senza spazzole a basso costo, la corrente della fase A è regolata con precisione dal tiristor Tr1 e dal diodo D1. Quando Tr1 è attivato (acceso), la tensione di sorgente Vd è collegata all'avvolgimento A. Questa connessione causa un tasso di variazione della corrente IA positivo, significando che la corrente nella fase A inizia ad aumentare. Inversamente, quando Tr1 è disattivato (spento), la corrente iA entra in uno stato di freewheeling attraverso il diodo D1. Durante questo processo di freewheeling, il tasso di variazione di iA diventa negativo, e la corrente diminuisce gradualmente.
Nel periodo di tempo da 0 a 120º, Tr1 può essere commutato in modo alternato. Questa strategia di commutazione on-off viene utilizzata per far sì che la corrente effettiva IA segua da vicino una corrente di riferimento rettangolare iA, assicurando che la differenza tra di esse rimanga entro una banda di isteresi predefinita. Questo controllo preciso aiuta a mantenere un funzionamento stabile del motore e un trasferimento di potenza efficiente.
Inverter a corrente continua senza spazzole monofase
La configurazione dell'inverter a corrente continua senza spazzole monofase è illustrata nella figura sottostante. Per scopi di analisi, si supponga che il motore sia alimentato da un convertitore monofase a mezzo ponte, che fornisce un'onda di corrente rettangolare al motore, come mostrato nella figura allegata. Questa specifica onda di corrente gioca un ruolo cruciale nella determinazione delle caratteristiche di prestazione e del comportamento operativo del motore.
La coppia generata dal motore presenta fluttuazioni significative, comunemente note come ripple di coppia. Tuttavia, quando il motore opera a velocità elevate, l'inerzia del sistema motore-carico agisce come un filtro naturale. Questa inerzia intrinseca smorza le variazioni di coppia, consentendo al motore di mantenere una velocità rotazionale relativamente uniforme nonostante la presenza di ripple di coppia.
