Вентильные двигатели

      2) Когда не накладываются ограничения на величину тока источника питания.

      3) Если мощность двигателя не превышает примерно 200 Вт [18].

      Для большинства применений такой пуск нецелесообразен.  

      12.1.2 Регулируемый пуск ВД

      Применяют для предотвращения токовых и тепловых перегрузок ВД.

      За время пуска к фазам двигателя подается неполное напряжение. Например, напряжение за время пуска может изменяться таким образом, чтобы ток двигателя не превышал (был равен) предельно допустимому значению (току ограничения): 

      Iдоп  = (U-cФn)/ Rф (12) 

      Пример  реализации регулируемого пуска см. в п.5.12.2. 

      12.2 Регулирование и стабилизация частоты вращения ВД 

      Вентильный  электродвигатель является аналогом коллекторного  двигателя постоянного тока и  к нему применимы все способы  регулирования, применяемые при  регулировании ДПТ. Большинство положений, приведенных при рассмотрении способов регулирования частоты вращения в Разделе 2. справедливы и для ВД.

      На  практике применяют следующие способы:

      1) Регулирование и стабилизация частоты вращения путем изменения напряжения, подаваемого на фазы двигателя (якорное управление).

      Самый распространенный и эффективный  способ регулирования частоты вращения ВД.

      ВД, как и другие двигатели, проектируется  на максимальное напряжение питания. То есть напряжение можно изменять лишь в сторону уменьшения от его номинального значения и, как следствие, частота вращения при этом способе также может регулироваться только в сторону уменьшения.

      Осуществляется  это с помощью широтно-импульсных преобразователей (ШИП) [19].

      В качестве ШИП может выступать  импульсный регулятор напряжения, включенный в цепь постоянного тока (амплитудное управление) (рис.9а) или непосредственно сам инвертор (рис.9б). 

 

      Наличие дополнительного РН усложняет реализацию. Поэтому чаще регулирование осуществляется путем воздействия на управляющие цепи коммутатора, реализуя импульсное регулирование. Схема управления инвертором при этом несколько усложняется, потери в коммутаторе возрастают [19].

      Регулирующим  элементом ШИП является ключ (транзистор), который с большой частотой (10-20 кГц) коммутируется (включается и выключается).

      Широтно-импульсная модуляция сигнала - ШИМ.

      Английский термин — pulse width modulation - PWM [13] .

      При использовании ШИМ ключ инвертора  в пределах разрешенного интервала  на включение по сигналу от ДПР  включен не постоянно, а периодически.

      В итоге формируется импульсный сигнал постоянной частоты и переменной длительностью импульса.

      С помощью задания длительности импульсов можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ.

      Варианты  организации ШИМ.

      1) Время открытого состояния ключа  в каждый элементарный период  одинаково. Изменение напряжения  достигается изменением времени  включенного состояния ключа  в рамках каждого периода. Характеристикой является скважность.

      Сигнал  генерируется аналоговым компаратором, на отрицательный вход которого подаёся  опорный сигнал в виде "пилы" или "треугольника", а на положительный  — собственно сам модулируемый непрерывный  аналоговый сигнал. Частота импульсов соответствует частоте "зубъев" пилы. Ту часть периода, когда входной сигнал выше опорного, на выходе получается единица, ниже — нуль [13].

      2) Синусоидальный ШИМ (180-градусная коммутация) (Алгоритм ее формирования см. в п.5.8)

      Изменение напряжения производится путем изменения  амплитуды несущей синусоиды.

      Частота переключения ключей инвертора при ШИМе (несущая частота) существенно выше выходной частоты инвертора (частоты модуляции), поэтому в спектре выходного напряжения кроме основной гармоники присутствуют лишь гармоники весьма высокого порядка, которые легко отфильтровываются индуктивностями двигателя [20].

      При постоянной частоте коммутации изменение  напряжения, подаваемого на вход инвертора (для схемы а, рис. 9), или подаваемого на фазы ВД ((для схемы б, рис. 9), производится за счет изменения времени включния ключа в пределах элементарного периода.

      При этом, регулирование частоты вращения производится путем изменения ее заданного значения (соответствует Uуз), а стабилизация частоты вращения осуществляется автоматически: управляющий сигнал формируется исходя из сравнения сигнала Uуз (поддерживаемое значение частоты вращения) и текущего значения частоты вращения (обозначено Uу (w)).

      При пуске значение тока ограничения  также задается в виде Uуз, а изменение напряжения, подаваемого на фазы, происходит по результатам сравнения этого значения с текущим значением тока (обозначено Uу (I)).

      Вариант регулирования напряжения при пуске.

      При превышении током в обмотке якоря заданного значения транзисторы коммутатора ВД запираются несмотря на разрешающий сигнал, поступающий с ДПР. Ток в обмотке якоря начинает уменьшаться. При снижении тока до нижнего порогового значения транзисторы вновь открываются. По мере разгона ротора ЭДС вращения увеличивается и при некоторой частоте вращения, ниже номинальной, ток становится меньше верхнего порогового уровня. С этого момента система токоограничения не влияет на коммутатор, автокоммутация продолжается по сигналам ДПР, а запуск продолжается по естественной механической характеристике [22].

      Аналогично  производится ограничение тока в  установившихся режимах при работе на малых скоростях вращения.

      2) Регулирование частоты вращения путем изменения потока (полюсное управление) для двигателей с электромагнитным возбуждением.

      ВД, как и другие двигатели, проектируется  на максимальный магнитный поток  в номинальном режиме. То есть магнитный  поток можно изменять лишь в сторону  уменьшения от номинального значения и, как следствие, частота вращения при этом способе может регулироваться только в сторону увеличения. При этом двигатель не должен работать при мощности выше номинальной (то есть при увеличенной частоте вращения двигатель сможет работать лишь при неполном моменте нагрузки [19]: М=Pном/W.

      3) Регулирование частоты вращения путем изменения угла включения фазы.

      Теоретически  в коллекторном ДПТ этот способ мог  бы быть реализован путем изменения  положения щеток. Практически это  осуществить затруднительно и потому для коллекторных ДПТ такой способ не используется.

      Определение угла включения фазы

      Определим угол включения фазы через осциллограммы  фазной ЭДС и фазного тока (рис.10). 

 

      

      Рис. 10. Картины ЭДС и тока для фазы А при 120-градусной коммутации 

      В соответствии с (6) значение ЭДС определяется магнитным потоком, а значит положением полюсов (ротора) ВД.

      Момент  начала протекания тока соответствует  включению ключа инвертора, подключающего  эту фазу к источнику питания. Это подключение может быть осуществлено при различном положении ротора.

      За  угол включения фазы будем принимать угол, отмеряемый от начала положительного полупериода ЭДС до начала протекания в этой фазе тока (откладывается в сторону поворота ротора).

      Нейтральной коммутацией при управлении ВД называют случай, когда при 120-градусной коммутации угол включения фазы равен 30 градусов (рис.10) В этом случае в момент включения и выключения фазы значение ЭДС холостого хода одинаково.

      В литературе встречается понятие "угол опережения" (обозначим его β0). Этот угол отсчитывается от положения нейтральной коммутации в сторону, противоположную повороту ротора.

      При изменении угла включения фазы изменя

      Можно изменять момент начала питания фазы относительно кривой ЭДС.

      Взаимное  положение кривых ЭДС холостого  хода и фазного тока в разных источниках характеризуется разными углами. Мы отметим два варианта: угол между началом положительного полупериода ЭДС и тока и так называемый угол опережения включения катушек на статоре по отношению к положению ротора. Этот угол отсчитывается от нейтральной коммутации в сторону более ранних времен (рис.10). 

      12.3 Пример управления ВД комбинированными способами 

      При необходимости реализации большого диапазона регулирования частоты  вращения или при необходимости  стабилизации частоты вращения в  большом диапазоне изменения  момента нагрузки применяют комбинированные способы управления, основанные на использовании двух (а то и трех) способов, перечисленных в п.5.12.2.

      Два примера.

      1) Двухзонное регулирование напряжением  питания и магнитным потоком  (для ВД с электромагнитным  возбуждением) (см.раздел 2).

      2) Управление ВД изменением напряжения, подаваемого на фазы двигателя  и изменением угла включения  фазы.

      При возрастании момента на валу двигателя  скорость можно поддерживать постоянной за счет увеличения напряжения. При U=Uмакс дальнейшее увеличение момента приведет к уменьшению скорости вращения. В этом случае можно использовать дополнительный канал управления моментом – за счет изменения угла включения фазы (угла опережения).

      Уменьшение  угла включения фазы (увеличение угла опережения) приведет к изменению положения механической характеристики и обеспечению возможности регулирования или стабилизации скорости (рис.11).

      Регулирование будет тем глубже, чем меньше момент нагрузки на валу двигателя.

      Стоит заметить, что введение отрицательных  углов включения фазы (больших углов опережения) сопряжен с увеличением потерь и ухудшением КПД двигателя.

      Пример  схемы ВД при совместном управлении по напряжению и углу включению фазы приведен на рис.12. 

      

      Рис.11. Механические характеристики ВД при  различных углавх опережения [15] 

      

      Рис.12. Пример структурной схемы управляемого ВД [15] 

      Как только сигнал на выходе регулятора тока РТ достигает своего максимума Uмакс, а его дальнейшее увеличение будет  невозможно из-за наличия "зоны насыщения", сигнал на выходе системы управления также достигнет своего предельного значения. При управлении в режиме широтно-импульсного регулирования это будет означать, что ключи работают со скважностью 1.

      В этом случае сигнал Uмакс, соответствующий  выходу регулятора РТ в зону насыщения  подается на пороговый орган ПО1, который дает разрешение на вступление в работу регулятора угла включения, который начинает уменьшать этот угол (увеличивать угол опережения), за счет чего увеличивается момент двигателя и обеспечивается поддержание заданного уровня скорости.

      В зависимости от того, какой сигнал при установившемся процессе меняется - Ωз или Ω - речь идет о регулировании скорости или о стабилизации скорости.