13 Следящие системы с пЕремЕнной скоростью перемещения им
13.1 Бесконтактные электродвигатели постоянного тока
Настоящему уровню развития электрических следящих систем с переменной скоростью перемещения ИМ наиболее соответствуют бесконтактные электродвигатели постоянного тока (БДПТ).
В следящих системах применяются синхронные БДПТ с постоянными магнитами на роторе [13], [18].
Например, такие электродвигатели используются в системе управления частотой вращения главного судового малооборотного дизеля, разработанной фирмой Конгсберг (Норвегия) [21].
Отличие бесконтактных электродвигателей постоянного тока БДПТ от коллекторных электродвигателей состоит в том, что у БДПТ щеточно-коллекторный узел заменен полупроводниковым коммутатором, который управляется сигналами, поступающими от датчиков положения ротора.
К достоинствам БДПТ относятся:
- возможность плавного регулирования частоты вращения электродвигателя и, следовательно, скорости перемещения исполнительного механизма (и регулирующего органа);
- высокая безотказность и долговечность, что объясняется отсутствием щеточно-коллекторного узла;
- более высокий КПД по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока, что объясняется отсутствием электрических потерь в щеточном контакте и механических потерь в коллекторе;
- способность работать в условиях широкого диапазона температур окружающей среды и в средах с большой влажностью.
Бесконтактные электродвигатели постоянного тока состоят из трех основных частей (рис. 13.1):
- собственно электродвигателя,
- датчиков положения ротора,
- коммутатора, подающего в необходимой последовательности питание на электродвигатель.
Рабочая обмотка двигателя (обмотка якоря) расположена на сердечнике статора, а на роторе имеется постоянный магнит. Обмотки статора соединены звездой.
В системах регулирования обычно применяются трехфазные БДПТ, которые имеют достаточно простое устройство и допустимые пульсации момента и частоты вращения.
Общий вид трехфазного БДПТ и его функциональная схема показаны на рис. 13.1.
Электродвигатель снабжен тремя датчиками положения ротора (ДПР), сигналы от которых поступают в коммутатор.
ДПР выдают сигналы положения полюсов постоянного магнита ротора относительно секций обмоток якоря.
Коммутатор подключает обмотки якоря к источнику постоянного тока в соответствии с положением полюсов постоянного магнита якоря. В результате магнитное поле статора вращается со средней скоростью, равной средней скорости вращения ротора.
Коммутатор в данном случае является усилителем регулятора.
Управление частотой и направлением вращения БДПТ производится сигналом Uу, поступающим на коммутатор с предыдущего элемента регулятора. Этим элементом, как правило, является последовательное корректирующее устройство, формирующее какой-либо из типовых законов регулирования.
Рассмотрим работу
трехфазного БДПТ, в которо
ехфазного
Сигналы датчиков сдвинуты относительно друг друга на 120° и сигнал каждого датчика длится 180° угла поворота ротора.
Это позволяет удерживать ключи инвертора в замкнутом состоянии 120° при сдвиге замыкания ключей на 60° и, тем самым, подавать соответствующее напряжение на обмотки статора.
Таким образом, состояние двигателя (подключение обмоток статора к источнику питания) определяется углом поворота ротора. Двигатель переходит из одного состояние в последующее при повороте ротора на 60°.
Следовательно, двигатель может находиться в одном из 6 состояний, представленных на рис. 13.2. Для наглядности на рис. 13.2 показано, что напряжение от источника питания U подается на обмотки статора через контактные ключи. Ключи Ka+, Kb+, Kc+ подсоединяют обмотки с положительной полярностью источника тока, а Ka-, Kb-, Kc- – с отрицательной.
Рис. 13.1 Внешний вид и функциональная схема бесконтактного электродвигателя постоянного тока.
В каждом состоянии:
- имеется сигнал на выходе одного датчика положения ротора или одновременно двух датчиков,
- к источнику питания одновременно подключены последовательно две обмотки статора.
В качестве исходного состояния БДПТ принято состояние, показанное на рис. 13.2a. Характеристика данного состояния приведена в первой строке таблицы 1.
При данном положении ротора в зоне магнитного полюса N ротора находятся датчики Sa и Sc, по сигналам которых замыкаются ключи Ka+ и Kb-. В обмотках фаз A и B появляется ток, который протекает последовательно от положительной полярности источника питания через обмотку A, точку соединения всех обмоток O и через обмотку B. Соответствующие полюса обмоток статора получают магнитные полярности S и N. В результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора возникает магнитный момент, вращающий ротор по часовой стрелке.
После поворота ротора на угол 60° в зоне магнитного полюса N ротора останется только датчик Sa, размыкается ключ Kb- и замыкается ключ Kc-.
Магнитные полюса статора будут создаваться обмотками А и C так, что это вызовет последующий поворот ротора по часовой стрелке.
Поведение БДПТ при дальнейшем повороте ротора может быть установлено по рис. 13.2 и таблице 13.1.
Таблица 13.1
Состояния трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока (при вращении ротора по часовой стрелке)
№ сост. |
Угол поворота ротора, гр. |
Сигналы датчиков положения ротора |
Замкнутые ключи |
Напряжение на обмотках фаз |
|||||
Sa |
Sb |
Sc |
+ |
- |
A |
B |
C |
||
a |
0 (360) |
1 |
0 |
1 |
Ka+ |
Kb- |
+ |
- |
0 |
b |
60 |
1 |
0 |
0 |
Ka+ |
Kc- |
+ |
0 |
- |
c |
120 |
1 |
1 |
0 |
Kb+ |
Kc- |
0 |
+ |
- |
d |
180 |
0 |
1 |
0 |
Kb+ |
Ka- |
- |
+ |
0 |
e |
240 |
0 |
1 |
1 |
Kc+ |
Ka- |
- |
0 |
+ |
f |
300 |
0 |
0 |
1 |
Kc+ |
Kb- |
0 |
- |
+ |
Рис. 13.2 Состояния трехфазного бесконтактного электродвигателя постоянного тока (вращение по часовой стрелке).
Временная диаграмма работы датчиков, ключей и обмоток трехфазного БДПТ приведена на рис. 13.3.
Рис. 13.3 Временная диаграмма работы датчиков, ключей и обмоток трехфазного БДПТ (120-ти градусная модуляция, вращение по часовой стрелке).
До сих пор рассматривалась работа БДПТ по наиболее простому способу 120-ти градусной модуляции [1]. В этом случае ток протекает только через две обмотки в течение 120°, а затем следует пауза 60°. Следовательно, каждая обмотка работает 2/3 периода, и мощность двигателя также используется на 2/3.
Указанные недостатки могут быть устранены применением 180-ти градусной модуляции [2], когда ток протекает одновременно по всем трем обмоткам. Временная диаграмма работы БДПТ для этого способа приведена на рис. 13.4.
Рис. 13.4 Временная диаграмма работы датчиков, ключей и обмоток трехфазного БДПТ (180-ти градусная модуляция).
В течение первых 60° ток втекает через обмотки А и С (токи Ia и Ic) и вытекает через обмотку В (ток Ib). Далее переключается обмотка С и на следующие 60° ток втекает через обмотку А и вытекает через обмотки В и С. Переключение обмоток при остальных углах поворота ротора происходит аналогично. При таком способе модуляции все три обмотки работают одновременно, внося свой вклад в создание вращающего момента ротора.
Коммутатор БДПТ (рис. 3.5) составляют два модуля: - инвертор, - контроллер.
Трехфазный инвертор управляет подачей напряжения на фазовые обмотки А, В, С. Ключами инвертора, как правило, являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT транзисторы) [14].
Рис. 13.5 Схема БДПТ с транзисторным инвертором.
Функции ключей Ka+, Kb+, Ka+, Ka-, Kb-, Kc-, соединяющих обмотки статора с источником постоянного напряжения U (см. рис. 3.5), выполняют 6 силовых транзисторов VT1 – VT6. Транзисторы VT1, VT3, VT5 подсоединяют обмотки с положительной полярностью источника, а VT2, VT4, VT6 – с отрицательной.
Параллельно каждому транзистору подключен обратный диод, который создает цепь для протекания тока, создаваемого ЭДС самоиндукции отключенной обмотки [13].
Контроллер управляет включением и выключением транзисторов в зависимости от величины и знака управляющего сигнала Uу. Алгоритмы управления БДПТ формируемые в контроллере рассмотрены далее. Контроллеры, как правило, изготовляются на микропроцессорах, позволяющих реализовать достаточно сложные алгоритмы управления БДПТ и выполнять их с необходимым быстродействием.