Bezszczotkowe napędy silników DC

Napięcia indukowane w trzech fazach silnika są przedstawione na poniższym rysunku. Powstanie fali trapezowej można przypisać specyficznemu oddziaływaniu między rotorem a statorem. Gdy rotor obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, podczas początkowych 120 stopni obrotu od pozycji odniesienia, wszystkie górne przewody fazy A oddziałują z północnym biegunem pola magnetycznego, podczas gdy wszystkie dolne przewody fazy A oddziałują z południowym biegunem.

Ta spójna magnetyczna sprzężenie w tym zakresie kątowym prowadzi do stosunkowo stabilnego indukowanego napięcia, przyczyniając się do płaskiej części góry fali trapezowej. Gdy rotor kontynuuje obrót, zmieniające się orientacje pola magnetycznego powodują przejście indukowanego napięcia, ostatecznie tworząc charakterystyczną formę trapezową, która jest niezbędna dla prawidłowej pracy i sterowania napędem prądu stałego bez szczotek.

Podczas 120-stopniowego obrotu rotora, napięcie indukowane w fazie A pozostaje stosunkowo stałe. Gdy obrót przekracza 120 stopni, niektóre górne przewody fazy A zaczynają łączyć się z północnym biegunem, podczas gdy inne nadal oddziałują z południowym biegunem. To samo zjawisko występuje przy dolnych przewodach. W rezultacie, w ciągu kolejnych 60 stopni obrotu, napięcie indukowane w fazie A liniowo odwraca się. Ten wzorzec zmiany napięcia jest odbiciem w fazach B i C, tworząc skoordynowane zachowanie elektryczne niezbędne do działania silnika.

System napędu prądu stałego bez szczotek, jak pokazano na poniższym rysunku, składa się z inwertera zasilanego napięciem i trapezowego silnika PMAC. Nawijki statora silnika są skonfigurowane w połączeniu gwiazdowym. Rysunek przedstawia również charakterystyczną falę napięcia fazy silnika PMAC, która odzwierciedla opisane wcześniej unikalne dynamiki indukcji napięcia. Ta fala jest kluczowym elementem, który umożliwia efektywne sterowanie i pracę napędu prądu stałego bez szczotek, ułatwiając płynną produkcję momentu obrotowego i precyzyjne regulowanie prędkości.

Nawijki statora silnika prądu stałego bez szczotek są zasilać impulsami prądu. Każdy impuls ma czas trwania 120 stopni elektrycznych i jest precyzyjnie umieszczony w regionie, gdzie indukowane napięcie pozostaje stałe i osiąga swoją maksymalną wartość. Kluczowe jest to, że polarność tych impulsów prądu zgadza się z polarnością indukowanego napięcia, zapewniając harmonijne oddziaływanie między wejściami elektrycznymi a polem magnetycznym generowanym przez silnik.

Przepływ magnetyczny w szczelinie powietrznej w silniku utrzymywany jest na stałym poziomie, a amplituda indukowanego napięcia jest bezpośrednio proporcjonalna do prędkości obrotowej rotora. Ta relacja jest fundamentalna dla działania silnika, ponieważ pozwala na dokładne sterowanie wydajnością silnika na podstawie prędkości zależnej indukcji napięcia, umożliwiając efektywną przesyłkę mocy i płynną pracę w różnych warunkach eksploatacyjnych.

W każdym 60-stopniowym przedziale pracy, prąd przepływa do jednej fazy nawijki statora silnika i wychodzi z innej. Ten alternatywny wzorzec przepływu prądu jest kluczową cechą działania silnika prądu stałego bez szczotek. W rezultacie, moc dostarczana do silnika w każdym z tych 60-stopniowych przedziałów może być wyrażona przez następujący wzór, który uwzględnia oddziaływanie między napięciem a prądem w fazach nawijek.

Moment obrotowy wytworzonego przez silnik

Fala momentu obrotowego napędu prądu stałego bez szczotek jest przedstawiona na poniższym rysunku. Amplituda momentu obrotowego generowanego przez silnik jest bezpośrednio proporcjonalna do prądu przepływającego przez DC linki zasilania. Ta relacja jest fundamentalna do zrozumienia dynamicznego zachowania i charakterystyk wydajności silnika.

Hamowanie regeneracyjne w tym systemie napędu jest realizowane poprzez odwrócenie prądu fazy. Gdy prąd fazy jest odwrócony, kierunek źródła prądu Id również zmienia się odpowiednio. To odwrócenie inicjuje przepływ mocy, który zaczyna się od silnika, przechodzi przez inwerter i ostatecznie wraca do źródła DC. W trakcie tego procesu, silnik działa jako generator, przekształcając energię mechaniczną z obciążenia w energię elektryczną, która jest następnie wprowadzana z powrotem do zasilania. To nie tylko pomaga w spowalnianiu silnika, ale także umożliwia odzyskanie i ponowne wykorzystanie energii, zwiększając ogólną wydajność systemu.

Gdy prędkość obrotowa systemu napędu jest odwrócona, polarność indukowanych napięć w silniku również się odwraca. Ta zmiana polarności napięcia inicjuje operację hamowania regeneracyjnego, umożliwiając systemowi przekształcanie mechanicznej energii poruszającego się obciążenia w energię elektryczną, która może być wprowadzona z powrotem do zasilania.

Odwrotnie, odwrócenie kierunku prądu przepływającego przez nawijki silnika inicjuje operację napędową, popychając silnik w pożądanym kierunku. Fale prądu odpowiadające tym różnym trybom pracy - hamowanie regeneracyjne i napęd - są jasno przedstawione na poniższym rysunku, dostarczając wizualnej reprezentacji zachowania elektrycznego systemu napędu w różnych warunkach.

Typy napędów prądu stałego bez szczotek

Napęd prądu stałego bez szczotek można podzielić głównie na dwa różne typy: tanie napędy prądu stałego bez szczotek i jednofazowe napędy prądu stałego bez szczotek. Każdy typ ma swoje unikalne cechy i zasady działania, które są szczegółowo opisane poniżej.

Tanie napędy prądu stałego bez szczotek

Tanie napędy prądu stałego bez szczotek są zaprojektowane z myślą o prostocie i taniości. Posiadają minimalistyczną konfigurację, składającą się z trzech tranzystorów i trójdiodowego konwertera. Ta konfiguracja ogranicza napęd do dostarczania tylko dodatniego prądu lub napięcia do trójfazowego silnika.

Podczas działania, indukowane napięcie i prąd odgrywają kluczowe role zarówno w funkcji napędowej, jak i hamującej silnika. Gdy 120-stopniowe dodatnie impulsy prądu są dostarczane do silnika, inicjuje to działanie napędowe, powodując obrót silnika w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Z kolei, gdy te impulsy prądu są przesunięte o 60 stopni do łącznej wartości 180 stopni, silnik przechodzi w stan hamowania. Ta zmiana w czasie impulsów prądu efektywnie zmienia oddziaływanie między wejściem elektrycznym a polem magnetycznym silnika, umożliwiając przejście od ruchu obrotowego do mechanizmu hamowania.

Tanie napędy prądu stałego bez szczotek: Mechanizm sterowania prądem

W tanim napędzie prądu stałego bez szczotek, prąd fazy A jest precyzyjnie regulowany przez tirystor Tr1 i diodę D1. Gdy Tr1 jest aktywowany (włączony), napięcie źródłowe Vd jest podłączone do nawijki A. To połączenie powoduje, że temp zmiany prądu IA staje się dodatnie, co oznacza, że prąd w fazie A zaczyna rosnąć. Odwrotnie, gdy Tr1 jest dezaktywowany (wyłączony), prąd iA wchodzi w stan swobodnego przepływu przez diodę D1. W trakcie tego procesu swobodnego przepływu, tempo zmiany iA staje się ujemne, a prąd stopniowo maleje.

W okresie 0-120º, Tr1 może być włączany i wyłączany na zmianę. Ta strategia włączania i wyłączania jest stosowana, aby rzeczywisty prąd IA dokładnie śledzi prostokątny referencyjny prąd iA, zapewniając, że różnica między nimi pozostaje w określonym pasmie histerezy. Ta precyzyjna kontrola pomaga w utrzymaniu stabilnej pracy silnika i efektywnej przesyłki mocy.

Jednofazowe napędy prądu stałego bez szczotek

Konfiguracja jednofazowego napędu prądu stałego bez szczotek jest przedstawiona na poniższym rysunku. W celu analizy, załóżmy, że silnik jest zasilany przez półmostowy jednofazowy konwerter, który dostarcza prostokątną falę prądu do silnika, jak pokazano na towarzyszącym diagramie. Ta konkretne fala prądu odgrywa kluczową rolę w określeniu charakterystyk wydajności i zachowania operacyjnego silnika.

Moment obrotowy generowany przez silnik wykazuje istotne fluktuacje, często nazywane oscylacjami momentu. Jednak, gdy silnik pracuje z wysoką prędkością, bezwładność układu silnik-obciążenie działa jako naturalny filtr. Ta wrodzona bezwładność wygładza fluktuacje momentu, umożliwiając silnikowi utrzymanie stosunkowo jednostajnej prędkości obrotowej mimo obecności oscylacji momentu.