Безщіткові приводи постійного струму
Визначення
Безщітковий двигун постійного струму (DC) визначається як саморегульоване пристрій змінної частоти, що використовує синусоїдальний двигун з постійним магнітом (PMAC). Цей тип приводу має ряд відмінних переваг. Практично не потребуючи обслуговування, він має продовжений термін служби, що робить його надійним вибором для різних застосувань. Крім того, він має низьку обертальну інерцію, мінімальне тертя та працює з характеристиками низької частоти. Більше того, він генерує мінімальні електромагнітні завади та шум, забезпечуючи плавну та тиху роботу. Проте, у нього є й недоліки; основні обмеження полягають у відносно високій вартості та низькому моменті запуску.
Застосування
Безщіткові DC-приводи широко використовуються в різних галузях промисловості та пристроях. У сфері споживчої електроніки вони використовуються в грамофонах, стрічкових приводах для магнітофонів та шпиндельних приводах жорстких дисків комп'ютерів. Вони також служать як низьковаті приводи для периферійних приладів комп'ютера та систем керування. За межами споживчої електроніки їх застосування простягається до авіаційної галузі, де надійність та тиха робота є важливими. У біомедичній сфері їх точність та чистота роботи роблять їх придатними для різних медичних пристроїв. Крім того, вони часто використовуються для приводу охолоджувачів, забезпечуючи ефективне та тихе провітрювання в багатьох системах.
Структура двигуна
Нижче показано переріз трьохфазного, двопольового трапецевидного PMAC-двигуна, який є ключовою складовою безщіткового DC-приводу. Двигун має ротор з постійним магнітом з широким полюсним дугою, що сприяє його ефективній роботі. Статор оснащений трьома фазовими обмотками, кожна з яких розташована на 120 градусів одна від одної. Ця конкретна конфігурація обмоток забезпечує збалансовану електричну роботу та плавне створення момента. Кожна фазова обмотка охоплює 60 градусів з обох сторін, оптимізуючи взаємодію магнітного поля в середині двигуна та дозволяючи точне керування його швидкістю та продуктивністю.
Напруги, індуковані в трьох фазах двигуна, показані на нижньому малюнку. Генерація трапецевидної форми сигналу може бути пов'язана з конкретною взаємодією між ротором та статором. Коли ротор обертається проти годинникової стрілки, під час перших 120 градусів обертання від початкового положення, всі верхні провідники фази A взаємодіють з північним полюсом магнітного поля, а всі нижні провідники фази A взаємодіють з південним полюсом.
Ця постійна магнітна зв'язка в цьому кутовому діапазоні призводить до відносно стабільної індукованої напруги, що сприяє рівному верхньому сегменту трапецевидної форми сигналу. З початком подальшого обертання ротора, зміна орієнтації магнітного поля призводить до переходу індукованої напруги, що врешті-решт формує характерну трапецевидну форму, яка є необхідною для правильного функціонування та керування безщітковим DC-приводом.
Під час 120-градусного обертання ротора, напруга, індукована в фазі A, залишається відносно сталою. Коли обертання перевищує 120 градусів, деякі з верхніх провідників фази A починають взаємодіяти з північним полюсом, а інші продовжують взаємодіяти з південним полюсом. Той же явище відбувається з нижніми провідниками. В результаті, під час наступних 60 градусів обертання, напруга, індукована в фазі A, лінійно змінюється. Цей зміна напруги відбивається також в фазах B та C, створюючи координовану електричну поведінку, яка необхідна для роботи двигуна.
Система безщіткового DC-приводу, як показано на нижньому малюнку, складається з інвертора з напругового джерела, парованого з трапецевидним PMAC-двигуном. Обмотки статора двигуна налаштовані в зірковому з'єднанні. На малюнку також показано характеристичну фазову напругу трапецевидного PMAC-двигуна, яка відображає унікальні особливості індукованої напруги, описані вище. Ця форма сигналу є ключовою рисою, що дозволяє ефективне керування та функціонування безщіткового DC-приводу, забезпечуючи плавне створення моменту та точне регулювання швидкості.
Обмотки статора безщіткового DC-двигуна живлені імпульсами струму. Кожен імпульс триває 120 електричних градусів і точно розташований в області, де індукована напруга залишається сталою та досягає свого максимального значення. Ключово, що полярність цих імпульсів струму відповідає полярності індукованої напруги, забезпечуючи гармонійну взаємодію між електричними входами та магнітним полем, створеним двигуном.
Магнітний потік в зазорі двигуна підтримується на постійному рівні, а величина індукованої напруги прямо пропорційна швидкості обертання ротора. Це співвідношення є фундаментальним для роботи двигуна, оскільки дозволяє точне керування продуктивністю двигуна на основі швидкісно-залежної індукованої напруги, що дозволяє ефективну передачу енергії та плавну роботу в різних умовах.
Під час кожного 60-градусного інтервалу роботи, струм проходить через одну фазу обмотки статора двигуна та виходить через іншу. Цей черговий потік струму є ключовою характеристикою роботи безщіткового DC-двигуна. В результаті, потужність, поставлена до двигуна в кожному з цих 60-градусних інтервалів, може бути виражена наступною формулою, яка враховує взаємодію між напругою та струмом в фазах обмоток.
Момент, створений двигуном
Форма сигналу моменту безщіткового DC-приводу показана на нижньому малюнку. Величина моменту, створеного двигуном, прямо пропорційна струму, що проходить через постійні посилання. Це співвідношення є фундаментальним для розуміння динамічної поведінки та характеристик продуктивності двигуна.
Регенеративне гальмування в цій системі приводу досягається шляхом зворотного зміщення фазового струму. Коли фазовий струм змінюється, напрямок джерела струму Id також змінюється відповідно. Це зміна ініціює потік енергії, що починається від двигуна, проходить через інвертор і повертається до джерела постійного струму. В процесі двигун діє як генератор, перетворюючи механічну енергію від навантаження на електричну, яка потім повертається до джерела живлення. Це не лише допомагає у сповільненні двигуна, але також дозволяє відновлення та повторне використання енергії, підвищаючи загальну ефективність системи.
Коли швидкість обертання системи приводу змінюється, полярність індукованих напруг в двигуні також змінюється. Ця зміна полярності напруги запускає регенеративне гальмування, дозволяючи системі приводу перетворити механічну енергію рухомого навантаження на електричну, яка може бути повернута до джерела живлення.
Навпаки, зміна напрямку струму, що проходить через обмотки двигуна, ініціює режим приводу, рухаючи двигун в бажаному напрямку. Форми сигналів струму, що відповідають цим різним режимам — регенеративне гальмування та привід — чітко показані на нижньому малюнку, надаючи візуальне представлення електричної поведінки системи приводу в різних умовах.
Типи безщіткового DC-приводу
Безщітковий DC-привід можна головним чином розділити на два відмінні типи: низькобюджетний безщітковий DC-привід та однофазний безщітковий DC-привід. Кожен тип має свої унікальні характеристики та принципи роботи, які детально описані нижче.
Низькобюджетний безщітковий DC-привід
Низькобюджетний безщітковий DC-привід розроблений з метою спростити та зробити його доступним. Він має мінімалістичну конфігурацію, що складається з трьох транзисторів та трьох діодного конвертора. Ця система обмежує привід лише до постачання позитивного струму або напруги до трифазного двигуна.
Під час роботи, індукована напруга та струм грають ключову роль як в режимі приводу, так і в режимі гальмування. Коли 120-градусні позитивні імпульси струму поставляються до двигуна, він ініціює режим приводу, призводячи до обертання двигуна проти годинникової стрілки. Навпаки, коли ці імпульси струму зміщуються на 60 градусів до загального 180 градусів, двигун переходить в режим гальмування. Ця зміна в часовому зміщенні імпульсів струму ефективно змінює взаємодію між електричним входом та магнітним полем двигуна, дозволяючи перехід від обертального руху до механізму гальмування.
Низькобюджетний безщітковий DC-привід: Механізм керування струмом
У низькобюджетному безщітковому DC-приводі, струм фази A точно регулюється тирістром Tr1 та діодом D1. Коли Tr1 активується (включається), джерело напруги Vd підключається до обмотки A. Це з'єднання призводить до того, що швидкість зміни струму IA стає позитивною, що означає, що струм в фазі A починає збільшуватися. Навпаки, коли Tr1 деактивується (вимикається), струм iA переходить в режим свободного ходу через діод D1. Під час цього режиму свободного ходу швидкість зміни iA стає негативною, і струм поступово зникає.
У періоді 0-120º, Tr1 може бути включено та вимкнено чергово. Ця стратегія включення-вимикання використовується для того, щоб реальний струм IA близько слідував прямокутному референтному струму iA, забезпечуючи, щоб різниця між ними залишалася в рамках визначеного гістерезисного діапазону. Це точне керування допомагає утримувати стабільну роботу двигуна та ефективну передачу енергії.
Однофазний безщітковий DC-привід
Конфігурація однофазного безщіткового DC-приводу показана на нижньому малюнку. Для аналізу припустимо, що двигун живлений за допомогою півмостового однофазного конвертора, який поставляє прямокутну форму струму до двигуна, як показано на супроводжувальному графіку. Ця конкретна форма струму грає ключову роль у визначенні характеристик продуктивності та поведінки двигуна.
Момент, створений двигуном, демонструє значні флуктуації, відомі як моментна рябизна. Однак, коли двигун працює на високих швидкостях, інерція системи двигун-навантаження діє як природний фільтр. Ця власна інерція згладжує флуктуації моменту, дозволяючи двигуну підтримувати відносно рівномірну швидкість обертання, незважаючи на присутність моментної рябизни.
