Вентильные двигатели

      Указанный недостаток имеет принципиальное значение лишь при весьма малых скоростях  вращения, близких к нулю [11].

      2) Другой нежелательный эффект  датчиков, работающих на переменном  токе высокой частоты, заключается  в относительно высоком уровне  радиопомех [11].

      3) Необходимость вынесения датчика  в отдельный узел в конструкции  машины [15].

      4) Использование в схеме коммутатора отдельного высокочастотного генератора для питания датчика [15].

      5) Для микромашин возможны затруднения  конструктивного и технологического  характера, так как габариты  датчика могут оказаться соизмеримыми  с габаритами активной части  машины [15].

      Основным элементом трансформаторных датчиков является трансформатор насыщения. Если магнит удален, сердечник трансформатора не насыщен, имеется трансформаторная магнитная связь между первичной и вторичной обмоткой. На выходе есть сигнал. Если магнит приближен – сердечник трансформатора насыщается, магнитная связь между обмотками трансформатора практически исчезает, на выходе сигнал пропадает [15].

      Области применения

      Индуктивные и трансформаторные датчики переменного  тока используются в основном в двигателях большой мощности. В маломощных ВД в основном применяются ДПР постоянного тока, не создающие помех (датчики Холла, магнито- и фотодиоды) [9].

      Поскольку в большинстве случаев на роторе ВД малой мощности имеется источник магнитного поля – постоянный магнит, оказалось удобным использовать гальваномагнитные ДПР [9]. 

      9.6 Гальваномагнитные датчики (датчик Холла) 

      Гальваномагнитными  называются явления, связанные с  воздействием магнитного поля на электрические  свойства проводников и полупроводников  с током.

      Техническое применение получили три гальваномагнитных явления [4]:

      1) Магниторезистивный эффект (эффект  Гаусса) [4].

      2) Магнитодиодный эффект

      3) Эффект Холла.

      Наибольшее  применение нашли гальваномагнитные  датчики ЭДС Холла (далее - датчики  Холла). Они являются наиболее чувствительными и малогабаритными.

      Принцип действия датчиков Холла основан  на эффекте Холла. Эффект был открыт в 1879 году сотрудником Балтиморского университета Эдвином Холлом. Этот эффект проявляется следующим образом: если пластину из проводникового или полупроводникового материала поместить в магнитное поле с напряженностью Н и пропустить через нее ток, то в ней возникает электрическое поле в направлении, перпендикулярном векторам напряженности и тока. При этом на боковых гранях пластины возникает ЭДС Холла. Если плотность тока постоянна, то эта ЭДС пропорциональна напряженности магнитного поля, т.е. магнитному потоку [17].

      Выходной  сигнал датчика Холла может быть как аналоговым, так и дискретным. В последнем случае микросхема снабжается пороговым элементом (триггером Шмита).

      Рассмотрим  Датчик Холла, выполненный на микросхеме серии К1116КП с дискретным выходным сигналом. Ее корпус представляет собой небольшую плоскую пластинку (5*5*1,5), которая имеет три вывода: + Uп, Общий, Выход. Питание микросхемы осуществляется через выводы + Uп, Общий. Выходной сигнал снимается с выводов Общий, Выход. Для микросхем данного типа выходной сигнал представляет собой импульсы с уровнем, приблизительно равным напряжению питания. Если микросхема пронизывается в перпендикулярном направлении магнитным потоком, то выходной сигнал зависит от уровня потока. 

 

      Уровень индукций срабатывания и отключения в зависимости от марки микросхемы может быть разным.

      Микросхема  Холла является чувствительным элементом  датчика положения ротора. Как  правило, число микросхем Холла  выбирается равным числу фаз. Необходим  еще управляющий элемент, который  формировал бы магнитный поток изменяющийся в соответствии с положением ротора.

      Одним из способов формирования такого потока является создание магнитной цепи ДПР, имеющей свой статор (на котором  располагаются микросхемы Холла) и  свой ротор. На роторе размещаются полюса, число которых строго соответствует числу основных полюсов двигателя. Разумеется, размеры этой магнитной цепи много меньше основной магнитной цепи. Она располагается на том же валу двигателя.

      Другим  способом расположения микросхем Холла  является размещение их в пределах магнитной цепи статора и использование в качестве управляющего сигнала рабочего магнитного потока двигателя. Такое техническое решение позволяет убрать с вала двигателя якорь ДПР, что упрощает конструкцию. Особенно важным это является для сверхвысокооборотных двигателей, к роторам которых предъявляются особые требования по габаритам, массе и прочности [15].

      Благоприятно сказывается на быстродействии и является возможным в силу чувствительности к направлению магнитного поля. [11].

      Следует заметить, что во всех случаях, когда для получения сигналов ДПР используют поле ротора двигателя, информацию получают не о положении индуктора, а о положении результирующего поля двигателя. В маломощных ВД, в которых реакция якоря проявляется мало, это не ведет к значительным погрешностям. В мощных ВД угол нагрузки может достигать 30-40 эл.град, что приводит к изменению вида механической характеристики [10] (которая, как известно, строится при постоянном угле нагрузки).

      Достоинства датчиков Холла

      1) Малые размеры (собственно микросхемы – до 0,8х0,8х0,1). Благодаря этому микросхемы могут быть встроены в рабочий зазор [9].

      2) Высокая чувствительность к уровню  индукции (0,13-0,25Т) [9], чувствительность к направлению магнитного поля [11].

      3) Хорошая помехозащищенность [9].

      4) Достаточно высокая мощность выходного сигнала, обеспечивающая управление микросхемами логики [9].

      5) Безинерционность, отсутствие запаздывания  в канале обратной связи по  положению ротора [13].

      Недостатки:

      1) Необходимость логической обработки  выходного сигнала ДПР [9].

      2) Необходимость использования многопроводного  канала связи: два провода для  подвода питания к микросхемам  и по одному проводу для  информационной электрической цепи  от выхода каждой микросхемы  [9].

      При использовании магнито- и фотодиодов, следует учитывать, что они обладают большим внутренним сопротивлением в открытом состоянии и термонестабильны [11]. 

 

       10. Бездатчиковые способы управления 

      В настоящее время в системах, где  наличие явновыраженного ДПР  приводит к снижению надежности и  экономичности электропривода, применяются бездатчиковые способы управления, основанные на обработке сигналов фазных или линейных ЭДС. Причем, измерение ЭДС производится в перерывах питания (в обесточенной фазе).

      Такой способ получения информации о положении  ротора имеет и недостатки:

      1) Не обеспечивается сигнал при  неподвижном роторе.

      2) Слабая помехозащищенность [9].

      3) Сложная логика обработки информации, исключающая ложные срабатывания [9]. 

 

       11. Система управления инвертором 

      Основная  функция: обработка сигналов, поступающих с различных датчиков, включая датчики положения ротора, и формирование сигнала управляющего напряжения, поступающего на базы транзисторов или на управляющий электрод тиристора.

      Выполняемые задачи:

      1) Отсекает пологие фронты сигналов ДПР и исключает возможность перекрытия сигналов от датчиков положения разных фаз. Чтобы динамические потери в ключах были минимальны, управляющий импульс должен быть прямоугольной формы.

      2) Инвертирование сигналов при реверсировании.

      3) Регулирование угла включения фаз (угла опережения). Угол может регулироваться в зависимости от скорости вращения.

      4) Формирование тактирующих сигналов управления коммутатором. В частности, задача может состоять в преобразовании сигнала длительностью 180 эл.гр. в сигнал длительностью 120 эл.гр. и расщеплении сигнала по каналам.

      5) Модулирование тактирующего сигнала, логическое согласование сигналов ШИМ с тактирующими сигналами ДПР.

      6) Усиление сигналов управления: получение сигнала, достаточного для управления ключами коммутатора. 

 

       12. Управление вентильными двигателями 

      Выделим следующие задачи, возникающие при  управлении ВД:

      1) Пуск ВД;

      2) Регулирование частоты вращения (принудительный перевод ВД на работу при другой частоте вращения);

      3) Стабилизация частоты вращения (автоматическое поддержание частоты вращения ВД на заданном уровне при изменении момента нагрузки или незапланированном изменении напряжения источника питания);

      4) Реверсирование (изменение направления вращения);

      5) Торможение ВД. 

      12.1 Пуск вентильного двигателя 

      12.1.1 Прямой пуск ВД

      Прямой  пуск ВД - подключение при пуске  вентильного двигателя на полное напряжение.

      Рассмотрим  уравнение электрического равновесия ВД. Без учета падения напряжения в полупроводниковых элементах  инвертора напряжение питания будет равно линейному напряжению подключенных фаз, например: 

      Uп=Eав+(Ia-Iв)Rф (10) 

      В момент пуска, когда ЭДС обмоток  (E=cФn) равна нулю фазный ток 

      I=Uп/(2Rф) (11) 

      То  есть ток при пуске (и на малых частотах вращения) определяется в основном значением фазного сопротивления Rф. Следует отметить, что с целью обеспечения высокого КПД при проектировании двигателя стремятся выполнить обмотку якоря с малым активным сопротивлением [22].

      В итоге пусковой ток, возникающий  при прямом пуске, может в 5 и более  раз превышать номинальный ток двигателя [15]. Кратность тока в ВД Iп/Iном значительно превышает кратности в АД и СД [12]. Между тем для разгона двигателя в нормальных условиях обычно бывает достаточна кратность пускового момента (а следовательно и тока) 2-3 [15].

      Проблемы:

      1) Для того чтобы силовые ключи коммутатора смогли пропустить такой ток, необходимо проектировать их на увеличенную по сравнению с номинальным режимом мощность. Это приводит к неоправданному увеличению габаритных размеров коммутатора и его стоимости.

      2) Прямой пуск неблагоприятен для питающей сети. При запуске мощного двигателя из-за больших пусковых токов в сети падает напряжение, что нарушает работу других потребителей [18].

      В каких случаях осуществляют прямой пуск:

      1) Когда требуется получить максимальный пусковой момент (Мп=сФIп).

      Это может быть необходимо, когда малым  частотам вращения соответствует большой  момент сопротивления (работа на низких температурах, использование механизмов с опорами скольжения и т.д.);