Вентильные двигатели

Вентильные двигатели – электрические машины, функционально объединенные с управляемым полупроводниковым коммутатором. Они близки по конструктивным признакам и характеристикам к коллекторным двигателям. Вентильные двигатели имеют частоту вращения вала, не зависящую от частоты сети, регулирование частоты вращения осуществляется путем изменения потока возбуждения и тока в якоре. Вентильные двигатели обладают высоким пусковым моментом и хорошими энергетическими показателями. Благодаря отсутствию коллекторно-щеточного узла вентильные двигатели имеют большую надежность и долговечность.

Вентильные двигатели, как и коллекторные, имеют широкое разнообразие конструкций и схем включения обмоток.

На рис. 1 представлена схема вентильного двигателя, который имеет такую же обмотку якоря, как и машина постоянного тока. На роторе вентильного двигателя 1 расположена обмотка возбуждения или постоянные магниты. В пазах статора располагается многофазная обмотка якоря 2, секции или группа секций которой присоединены через полупроводниковые блоки 3 к распределительным шинам 4 и сети.

В положении, показанном на рис. 1, открыты тиристоры 1' и 5". Ток якоря I_я в обмотке статора проходит по двум параллельным ветвям и создается вращающий момент. При движении ротора происходит переключение тиристоров датчиками положения ротора.

При повороте ротора по часовой стрелке на угол 360/m, где m — число отпаек (фаз) обмотки якоря (в рассматриваемой машине m = 8) происходит переключение тиристоров. Включаются тиристоры 2' и 6", а 1' и 5" — отключаются и т.д.

Таким образом, при вращении ротора вращается и поле якоря. При этом происходит электромеханическое преобразование энергии.

При реверсе работают пары тиристоров: 1" и 5', 2" и 6' и т.д. Включение и отключение тиристоров осуществляется путем подачи импульсов напряжения со специальных датчиков, реагирующих на положение ротора.

_{+ U -} Коммутатор по схеме рис. 1 по­лучается громоздким и вентильные дви­гатели по этой схеме практически не применяются. Чтобы упростить комму­татор, надо уменьшить число фаз машины.

Простейшей схемой вентильного двигателя является двухфазная схема, но наибольшее применение нашла трех­фазная схема (рис. 2). В этой схеме вентильная коммутация осуществляется трехфазным инвертором.

Система вентильной коммутации обычно состоит из датчика синхронизи­рующих сигналов, системы формирова­ния сигналов управления и управляемо­го коммутатора.

Датчик синхронизирующих сигналов задает порядок и частоту пере­ключения элементов коммутатора. При позиционном управлении — это датчик положения ротора, а при фазовом — датчик фазы напряжения якорной обмотки. Датчик положения ротора представляет собой встроен­ный в машину узел, состоящий из чувствительных элементов, закреплен­ных на статоре, и сигнальных элементов, закрепленных на роторе. Обыч­но используются фотоэлектрические или магнитомодуляционные датчики.

Система формирования сигналов управления обеспечивает усиление и формирование синхронизирующих сигналов.

Управляемый коммутатор осуществляет бесконтактные переключе­ния в силовых цепях вентильного двигателя. Управляемый коммутатор выполняется на полупроводниковых приборах или других переключаю­щих элементах, например герконах.

В управляемых коммутаторах на полупроводниковых приборах ис­пользуются полностью управляемые приборы (транзисторы, двухоперационные тиристоры) и не полностью управляемые (тиристоры, семисторы).

По способу коммутации управляемые коммутаторы на не полностью управляемых полупроводниковых приборах можно разделить на три ви­да: с естественной, принудительной и смешанной коммутацией. При ес­тественной коммутации переключения происходят под действием ЭДС якорной обмотки. При принудительной коммутации управление тирис­торами осуществляется под действием коммутирующего напряжения от­дельного источника либо напряжения питающей сети. При смешанной коммутации имеет место комбинация первого и второго способов.

Вентильные двигатели могут питаться от сети как постоянного, так и переменного тока. Если управляемый коммутатор питается от сети посто­янного тока, то он представляет собой инвертор — преобразователь по­стоянного тока в переменный. Если управляемый коммутатор подключен к сети переменного тока, то он выполняет функции преобразователя частоты.

Электромеханическая часть вентильных двигателей постоянного то­ка, как правило, аналогична известным конструктивным модификациям синхронных машин. Для маломощных приводов используются двигатели с постоянными магнитами, а также гистерезисные, реактивные и индук­торные двигатели. В приводах средней и большой мощности используют­ся двигатели с электромагнитным возбуждением.

Характерной особенностью вентильных двигателей, отличающей их от двигателей постоянного тока, является наличие дополнительного кана­ла управления по углу синхронизации инвертора. Этот канал использует­ся для обеспечения необходимой жесткости механической характеристи­ки и достижения большей перегрузочной способности.

Вентильные двигатели применяются и в приводах небольшой мощ­ности, где нежелательно применение механического коммутатора (проиг­рыватели, приборы магнитной записи и др.).

Вентильные двигатели большой мощности нашли применение там, где ранее использовались нерегулируемые асинхронные или синхронные двигатели. Выполнены вентильные двигатели мощностью 1600 кВт с ре­гулированием частоты вращения для привода компрессоров холодильных машин и насосов циркуляционных систем.

Ротором выступает постоянный магнит.

Обозначение диодов VD1…VD6.

ДП – датчик положения.

Коммутатор всегда включает VT1…VT6 так, чтобы магнитный поток статора был перпендикулярен магнитному потоку ротора, подобно тому, как это делается в ДПТ с помощью механического коммутатора.

При включенных VT2, VT3, VT4 диаграмма потоков такая:

При U_ип=0 двигатель не будет развивать момента, по мере увеличения напряжения будут увеличиваться и токи.

Механические характеристики такого двигателя такие же, как и у ДПТ.

w₀₁>w₀₂>w₀₃>w₀₄

U_ип1>U_ип2>U_ип3>U_ип4

Шаговые двигатели

Шаговые, или импульсные двигатели питаются импульсами электрической энергии, а ротор в зависимости от полярности импульсов перемещается по часовой стрелке или против часовой стрелки на определенный угол-шаг. Шаговые двигатели обычно маломощные индикаторные. Основная задача их отрабатывать электрические импульсы, преобразуя электрические сигналы в угловые перемещения.

Для управления шаговыми двигателями используются коммутаторы на полупроводниковых элементах, формирующие импульсы, которые подаются на фазы обмотки шагового двигателя. Число фаз выбирается равным четырем или шести. Шаг двигателя может быть от 180 до 1°. В специальных установках шаг может быть несколько минут.

Шаговые двигатели могут быть выполнены на основе конструкции любых синхронных двигателей. Так как основным требованием к шаговым двигателям является точность отработки сигналов и высокая частота импульсов, предпочтительны конструкции шагового двигателя, выпол­ненного на базе реактивных и индукторных синхронных машин.

Шаговые двигатели характеризуются предельной частотой импульсов, которые двигатель обрабатывает без пропуска шага. Пусковые свойства шаговых двигателей характеризуются частотой приемистости — максимальной частотой импульсов, при которой возможен пуск без потери шагов. В зависимости от типа шагового двигателя и нагрузки частота приемистости колеблется от 10 до 10⁴ Гц.

Математическое описание процессов преобразования энергии при импульсном питании осуществляется по уравнениям электромеханического преобразования энергии и их видоизменениям, когда форма напряжения — импульсная.

Счетчик подсчитывает количество f_п – прямых и f_н – обратных "шагов".

Одновременно включена только одна обмотка.

p – число пар полюсов;

m – фазность двигателя.

Характеристики двигателя:

1. a_М – цена импульса; определяет угловой шаг, совершаемый двигателем при единичном переключении (угол поворота за шаг).

2. Угловая характеристика двигателя

Для активного ротора:

угол Q снят для однополюсной однофазной машины.

Q=90° - нулевой момент; при Q>90° момент меняет знак.

Двигатель выполняет свои функции только в этом диапазоне изменения углов.

М_ст – максимальный момент удержания.

При большой внешней нагрузке возможна потеря шага.

3. Частота приемистости – максимальная частота, до которой разгоняется двигатель при скачкообразном приложении импульсов из состояния покоя. Разгон при этом происходит за период одного импульса (подразумевается пуск на холостом ходу, то есть без нагрузки и присоединенных маховых масс). Если подавать импульсы часто, то наступит такая частота, которую двигатель не обработает.

4. Предельная динамическая характеристика – характеристика, связывающая частоту приемистости и момент инерции присоединенного к двигателю механизма.

Характеристика входит в документацию.

М₂>М₁ Þ f_п2<f_п1

Число шагов двигателя на оборот.

Для двигателя с активным ротором:

Число шагов зависит от способа управления:

симметричный (поочередное включение каждой обмотки) и несимметричный (одновременно может включаться несколько обмоток)

С помощью несимметричного способа управления можно получить дополнительные положения ротора.

Например, достигнуть углового шага a/2.

однополярный и разнополярное (удвоение числа возможных положений)

При однополярном симметричном управлении число положений n=pm, где р – число пар полюсов; m – число фаз двигателя.

р = число параллельных ветвей в любой фазе.

При однополярном несимметричном управлении n=2pm

При разнополярном несимметричном управлении n=4pm

Для двигателя с пассивным (перемагничиваемым) ротором:

z_ротора=z_{статора}-1

Пусть ток подан в обмотку j Þ на роторе появляется магнитное поле, которое противоположно магнитному полю статора, и полюса притягиваются. При этом минимизируется энергия электромагнитного поля за счет поворота ротора. Она минимальна, когда картина магнитных силовых линий слева и справа от оси симметрична, что соответствует совпадению осей зубцов.

Выключим ток в обмотке j и включим в обмотке k. Число зубцов меньше Þ картина силовых линий несимметрична Þ появляется усилие, смещающее ротор до центра симметрии, двигатель шагает на , где z_р – число зубцов ротора Þ число положений, которые может принять ротор .

Такой двигатель удобен для глубокого редуцирования ротора (получения большого числа шагов).

Низковольтные двигатели: серии ДШ, ДША, ДШБ отличаются числом пар полюсов.

Более подробно о двигателях можно узнать из следующей литературы:

Копылов, Клоков. Справочник, 1988 г.

Кенио. Управление ШД.

Волков, Миловзоров. Выбор ШД (брошюра), 1978 г.

Методика выбора ШД

Кинематическая схема ШД.

Представляет собой корпус суппота.

Исходные данные:

i – передаточное число редуктора;

L – дискретность перемещения (цена шага, точность позиции) [м/имп];

t_хв – шаг ходового винта [м/об];

v_max – максимальная скорость инструмента [м/мин];

М_с – момент сопротивления (включая трение холостого хода и сопротивление, вызываемое силами резания) [Нм];

J_пр – момент инерции.

Выбор ШД:

1. определение частоты приемистости

Если система регулирования реализует линейное изменение частоты (плавный разгон), то f_п выбирается по f₀, то есть ,

2. определение углового шага

На этом шаге может наоборот выбираться , - передаточное число

3. определение момента двигателя М

, где М_с – момент сопротивления на ходовом винте

М_ст – момент синхронизации

Рекомендуется

4. проверка двигателя по динамическим режимам

f₀ – разгон на холостом ходу.

f₁ – разгон под нагрузкой (рабочие подачи).

Выбор двигателя