Работа бдпт
Создание вращающегося момента вентильного двигателя
Бесконтактный ЭД постоянного тока (БДПТ) – это электрическая машина постоянного тока, в которой механический коллектор заменен полупроводниковым коммутатором (ПК), поэтому его также называют вентильный ЭД (ВД).
Сам ЭД в конструктивном отношении практически полностью соответствует синхронному ЭД, возбуждение которого осуществляется от постоянных магнитов (МП), размещенных на роторе. Однако питание фаз статорных обмоток ВД осуществляется не от сети переменного тока, а постоянным током через ПК. ПК по сигналам логического устройства (ЛУ) поочередно, в определенной последовательности, попарно запитывает фазы ЭД, создавая вращающееся поле статора, которое, взаимодействуя с полем МП ротора, создает вращающий момент ЭД: Mд=КФIя , где Ф – поток постоянного магнита, расположенного на роторе, Iя – ток статорных обмоток (ток якоря), К – постоянный для данного ЭД коэффициент.
Материал магнита – на основе редкоземельных (РЗМ) – самария и кобальта или на основе обычных магнитных материалов (например, ЮНДК). Магниты на основе РЗМ обладают большими магнитными силами и не подвержены размагничиванию магнитными полями, создаваемыми токами статорных обмоток при статических или динамических перегрузках ЭД.
Переключение фаз статора должно производиться при определенных, согласованных с ними, положениях ротора. Поэтому на валу ЭД обычно располагается датчик положения ротора (ДПР), формирующий сигналы DA, DB, DC, которые используются ЛУ для формирования команд управления ПК.
Принципиальное отличие ВД от синхронного ЭД состоит в том, что частота поля статора в нем не постоянна, а определяется частотой вращения ротора, так как частота сигналов ДПР, используемых для управления ПК, определяется частотой вращения ротора. Поэтому ВД можно рассматривать как синхронный ЭД с переменной частотой питания статорных обмоток, соответствующей частоте вращения ротора. Тем не менее, поле статора (хотя и принудительно – по сигналам ДПР) синхронно вращается с ротором, что позволяет в теоретическом плане для исследования ВД использовать теорию двух реакций, основанную на связанной с ротором системе координат d-q-0, как это делается при исследовании синхронных ЭД классической конструкции. В то же время происходящие процессы и механическая характеристика ВД такие же, как у обычных коллекторных ДПТ, поэтому средние за период параметры ВД могут быть достаточно точно описаны их уравнениями.
Массо-энергетические показатели ВД при использовании современных магнитов высокой энергии превышают показатели коллекторных ДПТ, особенно при создании следящих приводов, управляемых от внешних сигналов управления (СУ) различных самолетных систем (систем управления рулями, рукоятками управления АД и др.). При этом ВД свободен от недостатков обычных ДПТ, связанных с наличием у них щеточно-коллекторного узла:
искрение щеток, что ограничивает высотность ЭД;
наличие якорной обмотки не позволяет уменьшить диаметр якоря, а так как момент инерции пропорционален квадрату диаметра якоря, то быстродействие привода невысоко;
при больших скоростях возможен обрыв якорной обмотки;
размещение якорной обмотки на роторе ухудшает отвод тепла.
Рассмотрим процесс образования вращающего момента ВД на примере 4-х полюсного ЭД, статор которого содержит z=12 пазов, в которых размещена трёхфазная обмотка (m1=3) c числом пазов на полюс и фазу q=1, то есть: Z = 2pqm=12 (рис.7).
Рис. 7. Схема размещения обмотки и магнитных потоков фазы А(Фа ).
Каждая из обмоток намотана таким образом, чтобы втекающий в нее ток создавал по правилу буравчика четыре магнитных потока, расположенных под углом 90° друг к другу.
Индексы A, B, C внутри каждого сектора на рис.7 означают, что ток в соответствующей фазе направлен от нас. Индексы А, В, С означают, что ток в соответствующей фазе течет к нам. Аналогично можно построить векторы магнитных потоков для фазы В и фазы С и совместить их на одном рисунке (рис. 8).
Рис.8. Векторная диаграмма магнитного поля ДБ (исходные вектора при правом вращении в двигательном режиме).
Так как каждая фаза создает четыре вектора, то при m=3 число таких векторов равно 12, т.е. они в пространстве (по окружности статора) смещены на 360º/12=30º геометрических градусов. Если порядок обхода векторов соответствует цифровому обозначению 30-ти градусных секторов (1…12), то это будет соответствовать вращению поля статора (и ротора) по часовой стрелке (правое движение). Диаграмма рис. 8 имеет важное значение для разработки алго-ритма управления ПК. Для удобства анализа стрелки всех векторов на рис.8 направлены к периферии, поэтому у векторов, у которых изменено направление стрелки, в обозначении введены отрицания (черта).
На этом же рисунке произведено геометрическое сложение соседних векторов: так сложение векторов А и В дает вектор АВ, С и В- вектор СВ и т.д. Заметим, что такое сложение векторов соответствует физическому процессу включения фаз: одновременно всегда включены только какие-либо 2 фазы, но в одну ток втекает (здесь А), а через другую вытекает (фазы В или С).
Заметим также, что при поочередном обходе векторов каждая фаза работает на интервале двух секторов (у рассмотренных векторов АВ и СВ фаза В с вытекающим током работает в секторах 1 и 2).
Если теперь диаграмму рис.8 рассмотреть совместно с магнитными потоками, создаваемыми постоянным магнитом (рис.9), то можно отметить, что при каждом включении очередной пары фаз ( на рис.9 – фаз А и В) они при взаимодействии с МП создают четыре притягивающих (при разной полярности) и четыре отталкивающих (при одноименных полюсах) момента (Мп и М0).
Рис. 9. Моментные характеристики БДПТ.
На основании векторной диаграммы магнитного поля ДБ (рис.8) и его моментных характеристик можно сделать дополнительно следующие выводы, которые будут полезны для разработки алгоритма управления ПК:
1. Магнитное поле, образованное силовым магнитом и магнитное поле, образованное статорными обмотками, представляют собой фигуры в виде двух вращающихся крестов: первый вращается плавно, второй - скачками, через 30 геометрических градусов. Наибольший взаимодействующий момент возникает тогда, когда угол между “крестами” будет составлять 45 градусов. Таким образом, коммутация должна производиться при углах рассогласования “крестов” 30 – 60 градусов.
2. Для осуществления реверса в двигательном режиме магнитный поток и ток обмоток якоря следует повернуть в обратную сторону, т.е. в алгоритме программы управления знак индекса ключа изменить на противоположный (АВ на АВ, ВС на ВС и т.д.). В режиме динамического торможения алгоритм программы для правого и левого направлений вращения неизменен.
3. Моменты коммутации ключей силового моста при рассогласовании магнитных потоков, создаваемых с помощью обмоток статора и силовым магнитом (30 и 60 градусов), должны определяться с помощью датчика положения ротора (ДПР). Заметим, что в настоящее время разработаны и схемы бездатчикового управления ВД.