Регулировка оборотов коллекторного двигателя: методы и особенности

Во избежание перегрева обмоток ротора ток ротора не должен превышать нормального номинального значения. Это означает, что двигатель может нормально развивать свой номинальный крутящий момент при полной нагрузке, когда его скорость снижается из-за сопротивления внешней цепи ротора, и в этом случае мощность при полной нагрузке будет уменьшаться пропорционально скорости. Однако допустимая мощность в лошадиных силах может быть снижена в несколько большей степени, если скорость снижается примерно до 40% от нормальной, особенно если вентиляция заметно снижается при более низкой скорости. В грубом приближении ток ротора I’1, необходимый для привода двигателя с контактными кольцами против момента нагрузки T’ при повышенных относительных проскальзываниях, можно принять равным T’ x Ir / T, где T — крутящий момент, а II’ — ротор. ток, необходимый для привода нагрузки на полной скорости, т. е. при коротком замыкании контактных колец. Приблизительное сопротивление на фазу резисторов цепи ротора, соединенных звездой, для запуска двигателя при скольжении s’ можно принять равным 0,58 x s’ x E / I’r, т. е. 0,58 x s’ x E x T / T’. x Ir Ом, где E — напряжение холостого хода между контактными кольцами.

Внешние резисторы должны быть достаточно большими, чтобы выдерживать ток ротора без перегрева в течение требуемого периода работы на пониженной скорости, при этом количество скоростей, доступных при заданном моменте нагрузки, равно количеству ступеней сопротивления цепи ротора. Кривые от B до F на рис. 1 показывают влияние различных значений сопротивления цепи ротора. Следует отметить, что этот метод снижения скорости увеличивает изменение скорости при переменной нагрузке, при этом скорость возрастает почти до синхронного значения на холостом ходу независимо от значения сопротивления; таким образом, этот метод может быть непригоден для переменных нагрузок, которые требуют работы с постоянной скоростью, значительно меньшей синхронной скорости.

Потери в резисторах управления скоростью

Этот метод снижения скорости работает за счет рассеяния во внешних резисторах части электродвижущей силы (ЭДС) и мощности, которые генерируются в проводниках ротора вращающимся магнитным потоком. и, таким образом, довольно неэффективен. Однако этот метод может быть пригоден для запуска двигателя примерно до 40 % синхронной скорости в течение коротких периодов времени или для приводов, требуемый крутящий момент значительно снижается при пониженной скорости; потери во внешних резисторах примерно пропорциональны произведению снижения скорости на момент. В случае центробежной нагрузки, такой как вентилятор, требуемый крутящий момент значительно снижается при уменьшении нагрузки, и в таком приводе простота метода управления может компенсировать снижение общего КПД при снижении скорости. Например, если двигатель полностью нагружен при работе с нагрузкой на полной скорости, а использование внешнего сопротивления цепи ротора 

Крутящий момент, развиваемый двигателем с контактными кольцами при заданной скорости, можно, однако, уменьшить, подключив внешнее сопротивление в цепи ротора, что немедленно приведет к уменьшению I» и небольшому увеличению Fr. Уменьшение крутящего момента двигателя вызывает скорость падает, результирующее увеличение тока ротора будет вызывать увеличение крутящего момента двигателя до тех пор, пока скорость не упадет до нового стабильного значения, при котором крутящий момент двигателя снова будет равен моменту нагрузки при новой скорости. 

Во избежание перегрева ротора обмотки ротора ток ротора не должен превышать нормального номинального значения.Это означает, что двигатель может нормально развивать свой номинальный момент полной нагрузки, когда его скорость снижается из-за сопротивления внешней цепи ротора, и в этом случае мощность полной нагрузки будет уменьшается пропорционально скорости, однако допустимая мощность может быть снижена в несколько большей степени, если скорость снижается ниже примерно 40 % от нормальной, особенно при хорошей вентиляции. заметно снижается на более низкой скорости. В грубом приближении ток ротора I’1, необходимый для привода двигателя с контактными кольцами против момента нагрузки T’ при повышенных относительных проскальзываниях, можно принять равным T’ x Ir / T, где T — крутящий момент, а II’ — ротор. ток, необходимый для привода нагрузки на полной скорости, т. е. при коротком замыкании контактных колец. Приблизительное сопротивление на фазу резисторов цепи ротора, соединенных звездой, для запуска двигателя при скольжении s’ можно принять равным 0,58 x s’ x E / I’r, т. е. 0,58 x s’ x E x T / T’. x Ir Ом, где E — напряжение холостого хода между контактными кольцами.

Внешние резисторы должны быть достаточно большими, чтобы выдерживать ток ротора без перегрева в течение требуемого периода работы на пониженной скорости, при этом количество скоростей, доступных при заданном моменте нагрузки, равно количеству ступеней сопротивления цепи ротора. Кривые от B до F на рис. 1 показывают влияние различных значений сопротивления цепи ротора. Следует отметить, что этот метод снижения скорости увеличивает изменение скорости при переменной нагрузке, при этом скорость возрастает почти до синхронного значения на холостом ходу независимо от значения сопротивления; таким образом, этот метод может быть непригоден для переменных нагрузок, которые требуют работы с постоянной скоростью, значительно меньшей синхронной скорости.

Потери в резисторах управления скоростью

Этот метод снижения скорости работает за счет рассеяния во внешних резисторах части электродвижущей силы (ЭДС) и мощности, которые генерируются в проводниках ротора вращающимся магнитным потоком. и, таким образом, довольно неэффективен. Однако этот метод может быть пригоден для запуска двигателя примерно до 40 % синхронной скорости в течение коротких периодов времени или для приводов, требуемый крутящий момент значительно снижается при пониженной скорости; потери во внешних резисторах примерно пропорциональны произведению снижения скорости на момент. В случае центробежной нагрузки, такой как вентилятор, требуемый крутящий момент значительно снижается при уменьшении нагрузки, и в таком приводе простота метода управления может компенсировать снижение общего КПД при снижении скорости. Например, если двигатель полностью нагружен при движении нагрузки на полной скорости, и нагрузка требует 30 % этого крутящего момента при 40 % скорости, эта скорость может быть получена путем рассеяния на внешнем сопротивлении 15–16 % крутящего момента. входная мощность двигателя при полной нагрузке на полной скорости.

Регулятор сопротивления скольжению 

Эту систему управления скоростью также можно с пользой использовать для сведения к минимуму колебаний тока, потребляемого двигателем, который подвержен широким и быстрым колебаниям нагрузки, как на приводе прокатного стана. На низкоинерционном приводе пиковые нагрузки вызовут некоторое снижение скорости двигателя с небольшим скольжением при полной нагрузке со значительным увеличением тока двигателя. Однако, включив в привод тяжелый маховик, его можно использовать в качестве резервуара энергии, при этом маховик отдает энергию, пропорциональную (N 12-N22) приводу, если скорость падает с N2 при малой нагрузке до N , при пиковой нагрузке. Этого можно достичь, используя двигатель с контактными кольцами, как показано на рис. 2, при этом последовательный трансформатор в питании двигателя подключен к вспомогательному моментному двигателю, крутящий момент которого зависит от нагрузки на основной двигатель. Пиковые нагрузки на двигатель с контактными кольцами приводят к тому, что моментный двигатель подключает сопротивление жидкости в цепи ротора, чтобы уменьшить крутящий момент и скорость двигателя с контактными кольцами. Когда пиковая нагрузка превышает крутящий момент, двигатель отключает часть сопротивления, чтобы увеличить скорость основного двигателя и кинетическую энергию маховика. В качестве альтернативы жидкостному резистору контактор может быть использован для управления секциями металлического сопротивления в зависимости от тока нагрузки основного двигателя.

Стабилизация скорости двигателя с контактными кольцами

Управление с обратной связью может использоваться для ограничения изменения скорости большого двигателя с контактными кольцами, используемого на шахтной подъемной машине. Рычаг управления определяет направление вращения и задает требуемую скорость, регулируя опорное напряжение. Последнее сравнивается с напряжением, генерируемым в тахометрическом генераторе, приводимом в действие двигателем с контактными кольцами; любая разность напряжений усиливается для управления положением электродов в контроллере сопротивления. Капитальный ремонт вызывает торможение двигателя за счет подачи постоянного тока в обмотки статора.

В некоторых системах, которые подходят для лебедок, тяговых двигателей, шахтных подъемных машин и т. д., стабильная низкая скорость достигается за счет использования части электроэнергии, генерируемой в цепи ротора, в подпружиненном тормозе с электрическим растормаживанием. По ощущениям. механизм растормаживания от цепи ротора, при соответствующем электрическом управлении, пониженное напряжение, генерируемое в цепи ротора при увеличении скорости выше требуемого значения, снижает усилие растормаживания, тем самым увеличивая тормозное давление для стабилизации скорости.

Каскадные соединения асинхронных двигателей

Если большой асинхронный двигатель с контактными кольцами должен работать в течение значительных периодов времени со скоростью, намного меньшей, чем его номинальная скорость, желательно, чтобы часть напряжения и мощности, генерируемых его ротором, использовалась с пользой. , а не рассеиваться на резисторах. Каскадный метод подключения асинхронных двигателей является одним из способов сделать это, токосъемные кольца одного двигателя используются для питания другого двигателя, два двигателя соединяются вместе, так что выходное напряжение первого двигателя создает механическую мощность.

На рис. 3а показано одно расположение двигателя с контактными кольцами А и двигателя с короткозамкнутым ротором или двигателя с контактными кольцами В. Если двигатель с контактными кольцами имеет вид В, резисторы могут быть подключены между контактными кольцами при пуске для уменьшения пускового тока двигателя. A. На рис. 3b показана другая конструкция, в которой используются два двигателя с контактными кольцами, с пусковым сопротивлением, включенным в цепь статора машины B. На практике можно обойтись без контактных колец в схеме, показанной на рис. 3b, две обмотки ротора свести воедино. При каскадных соединениях падение скорости от холостого хода до полной нагрузки составляет несколько процентов от синхронной скорости комбинации. Две машины могут быть соединены в кумулятивный каскад для создания крутящих моментов в одном направлении или в дифференциальный каскад для создания противоположных крутящих моментов. Таблица 1 показывает, что при использовании двух двигателей с разным числом полюсов Pa и Pb можно получить четыре разные скорости; путем подключения сопротивления во вторичной цепи второго двигателя или отдельных двигателей также можно получить промежуточные скорости.

Смена полюсов и изменение частоты 

Скорость асинхронного двигателя с контактными кольцами с соответствующей обмоткой можно изменить путем смены полюсов или изменения входной частоты, как описано в статье об изменении скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. моторы. Переключение полюсов также можно использовать в сочетании с двигателями, соединенными каскадом, чтобы увеличить число скоростей, которые можно получить экономически выгодным образом. Однако смена полюсов должна применяться к обмоткам ротора двигателя с контактными кольцами, а также к обмоткам статора, что усложняет двигатель и механизм управления. Переменная частота может быть получена от генератора переменного тока, приводимого в движение двигателем с регулируемой скоростью, хотя эта система редко оправдана.

Система Kramer 

В системе Kramer для постоянной мощности при полной нагрузке мощность с частотой скольжения от токосъемных колец преобразуется в механическую мощность, возвращаемую на вал двигателя. В одном применении этого принципа выходная частота скольжения двигателя с контактными кольцами, работающего на пониженной скорости, выпрямляется для питания постоянного тока. двигатель, соединенный с основным двигателем. Небольшой переменный резистор регулирует ток возбуждения постоянного тока. двигатель, чтобы управлять его противо-ЭДС на любой скорости, тем самым контролируя долю генерируемой ЭДС двигателя с контактными кольцами, которая поглощается постоянным током. машина.

Управление скоростью с помощью подачи напряжения

Скоростью асинхронного двигателя с контактными кольцами можно управлять любым методом, который позволяет управлять его вторичным током независимо от нагрузки на двигатель. Экономичный метод заключается в подаче напряжения во вторичную цепь, чтобы противодействовать или усиливать ЭДС, создаваемую во вторичных обмотках первичным магнитным потоком. Если подаваемое напряжение противодействует генерируемому напряжению, немедленным эффектом является уменьшение вторичного тока и крутящего момента, так что скорость падает. При этом скорость, с которой вторичные проводники перерезаются первичным потоком, увеличивается с увеличением генерируемой вторичной ЭДС, вторичного тока и крутящего момента двигателя, падение скорости прекращается, когда крутящий момент двигателя снова равен моменту сопротивления нагрузки. на стабильно низкой скорости.

С другой стороны, если подаваемое напряжение способствует генерируемой ЭДС, немедленным эффектом является увеличение вторичного тока и крутящего момента двигателя, что заставляет двигатель разгоняться с падением вторичного тока и крутящего момента до стабильно более высокой скорости. Таким образом, этот метод можно использовать для запуска двигателя со скоростью, превышающей его синхронную скорость, если это необходимо. При синхронной скорости во вторичных обмотках не создается ЭДС, поскольку первичный поток и вторичные обмотки имеют одинаковую скорость. Таким образом, при синхронной скорости крутящий момент создается за счет приложенного напряжения и тока. Когда двигатель ускоряется выше синхронной скорости, ЭДС, генерируемая во вторичных обмотках, увеличивается в обратном направлении и противодействует подаваемому напряжению, вторичному току и крутящему моменту двигателя, которые падают по мере того, как двигатель разгоняется до стабильно более высокой скорости. Однако любое напряжение, подаваемое на вторичные обмотки, должно иметь ту же частоту (скольжения), что и ЭДС, генерируемая в этих обмотках, поэтому частота подаваемого напряжения должна автоматически изменяться в зависимости от скорости двигателя. Если подаваемое напряжение не зависит от нагрузки на двигатель, скорость двигателя при каждой настройке скорости будет очень незначительно изменяться от холостого хода до полной нагрузки. Однако характеристики скорости и момента управляемого двигателя можно изменить, если при необходимости подаваемое напряжение будет зависеть от нагрузки двигателя.

Питание от статора переменного тока Коллекторные двигатели с шунтирующими характеристиками  

Многофазный двигатель может быть оснащен преобразователем постоянного тока. обмотка ротора, соединенная с коммутатором. Один такой двигатель имеет обмотку статора, аналогичную асинхронному двигателю, при этом обмотки статора подключены к источнику питания, чтобы действовать как первичные обмотки. Обмотки статора также выполняют функцию автотрансформатора напряжения питающей частоты, снимаемого с ответвлений на обмотках статора и подаваемого на щетки коммутатора. Коллектор и щетки выполняют роль преобразователя частоты, изменяя частоту питающего напряжения, подаваемого на щетки, на частоту скольжения в обмотках ротора (вторичных). Такие двигатели доступны в размерах примерно до 10 л.с., десятиступенчатый переключатель, подключенный к обмоткам статора, позволяет получить десять скоростей в диапазоне примерно от 3,5 до 1, причем скорость снижается на несколько процентов под нагрузкой.

В более распространенной конструкции коллекторного двигателя с питанием от статора напряжение для подачи во вторичные обмотки ротора получают от асинхронного регулятора, который действует как трансформатор с переменным коэффициентом, как показано на рис. 4. Регулятор можно поворачивать с помощью средства маховика или пилотного двигателя для изменения соотношения фаз между его входной и выходной обмотками для изменения выходного напряжения. В указанной машине вспомогательные компенсационные обмотки включены во вторичную цепь для повышения коэффициента мощности. На регуляторе может быть установлен блокировочный выключатель, чтобы гарантировать, что двигатель запускается на низкой скорости, т. Е. Регулятор настроен на подачу максимального напряжения в противовес ЭДС, генерируемой в обмотках ротора (вторичных) двигателя. Затем двигатель работает со скоростью ниже своей синхронной, возвращая питание в сеть через индукционный регулятор. Когда регулятор установлен в среднее положение, его выходное напряжение равно нулю; затем двигатель работает как асинхронный двигатель, вторичные обмотки которого замыкаются накоротко через выходные обмотки регулятора.

При повороте регулятора в направлении, противоположном его среднему положению, для подачи во вторичные обмотки двигателя напряжения, которое способствует генерируемой ЭДС в роторе, двигатель может работать со скоростью, превышающей его синхронную скорость, питание от сеть питания подается непосредственно на первичную обмотку и через регулятор на вторичную обмотку. Регулятор обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости во всем диапазоне скоростей; обычное отношение максимальной скорости к минимальной составляет примерно три к одному, хотя машины могут быть построены для других соотношений скоростей. Оборудование может быть рассчитано на приблизительно постоянный крутящий момент при полной нагрузке с мощностью при полной нагрузке, пропорциональной скорости, или на другие коэффициенты мощности. Падение скорости от холостого хода до полной нагрузки при данной настройке скорости весьма незначительно и может иметь максимальное значение около 14% от максимальной скорости в случае машины с соотношением скоростей 3:1. Эти двигатели с питанием от статора могут быть рассчитаны на входное напряжение до 11 кВ и выходную мощность от 1 до 10 000 л.с.

Schrage Motors 

Многофазный коллекторный двигатель типа Schrage. 5, первичные обмотки вставлены в пазы ротора и питаются от питающей сети для создания магнитного потока, который всегда вращается вокруг сердечника ротора с синхронной скоростью, индуцируя ЭДС частоты скольжения во вторичных обмотках, которые устанавливаются в пазы статора. Ротор также имеет отдельный источник постоянного тока. тип регулирующей обмотки, соединенной с коллектором, на котором вращаются щетки, соединенные со вторичными обмотками. Щетки коллектора установлены на двух стойках, каждая из которых имеет по два шпинделя на пару полюсов. Стойки сконструированы таким образом, что два набора щеток можно разъединить в любом направлении, как показано на рис. 6, с помощью маховика или вспомогательного двигателя.

Таким образом, ротор частично функционирует как вращающийся трансформатор, при этом между сегментами коммутатора индуцируются напряжения частоты сети, которые преобразуются в частоту скольжения на щетках. При соединении щеток с одной парой полюсов, установленных в линию, как на рис. 6б, вторичные обмотки статора замыкаются накоротко через щетки и сегменты коллектора; затем двигатель работает как инвертированный асинхронный двигатель со скоростью немного меньшей, чем его синхронная скорость. Когда щетки разъединены в одном направлении, как на рис. 6а, двигатель работает со скоростью ниже синхронной в направлении, противоположном направлению вращающегося магнитного потока, создаваемого первичными обмотками ротора. Скорость зависит от величины отрыва щеток, которая определяет величину напряжения, подаваемого в обмотки статора.

Когда щетки разъединены в другом направлении, как на рис. 6d, чтобы подать напряжение в том же направлении, что и генерируемая ЭДС в обмотках статора, двигатель может работать со скоростью, превышающей его синхронную скорость, если это необходимо. Выше синхронной скорости вращение основного магнитного потока в пространстве меняется на противоположное. Щетки можно настроить, как на рис. 6в, для запуска двигателя на синхронной скорости, при которой магнитный поток стационарен в пространстве, так как он создается и переносится ротором в направлении, противоположном его собственному вращению. При синхронной скорости выход щеток коммутатора представляет собой постоянный ток, при этом крутящий момент создается за счет реакции между стационарным магнитным потоком и током, подаваемым в обмотках статора.

Двигатели Schrage производятся мощностью от одной до нескольких сотен лошадиных сил для питания до 600 вольт с бесступенчатой ​​регулировкой скорости в диапазоне от 15 до 1; обычная конструкция дает приблизительно постоянный крутящий момент при полной нагрузке, при этом мощность при полной нагрузке примерно пропорциональна скорости. Как показано на рис. 7, падение скорости от холостого хода до полной нагрузки при каждой настройке скорости щеток довольно мало. Коэффициент мощности двигателя Шраге, как правило, несколько выше, чем у коллекторного двигателя с питанием от статора. Многофазные коллекторные двигатели подходят для приводов, требующих переменной скорости с равномерным ускорением, например, для хлебопекарных и бумагоделательных заводов, печатных станков, прядильных машин, вязальных машин и т. д. 

Двигатели с последовательными скоростными характеристиками

Для некоторых приводов, таких как группа двигателей, приводящих в действие печатный станок, могут потребоваться последовательные характеристики скорости/момента в форме, показанной на рис. 8. Их можно получить, питая щетки коллектора коллекторного двигателя со статорным питанием от вторичных обмоток трансформатора, первичные обмотки которого включены последовательно со статорными (первичными) обмотками двигателя, как показано на рис. 9. вводимое напряжение затем зависит от нагрузки на двигатель. В этой машине скорость при любом крутящем моменте нагрузки можно изменять, перемещая щетки вокруг коммутатора, чтобы изменить соотношение фаз подаваемого напряжения к фазе генерируемого напряжения. Углы, отмеченные на рис. 8, относятся к смещению (в электрических градусах) щеток от сильноточного нейтрального положения.

Оборудование Scherbius

В некоторых случаях, в основном для больших двигателей с регулируемой скоростью, коллектор устанавливается на отдельном механизме от главного двигателя. Коллекторная машина может работать на частоте скольжения, чтобы возвращать мощность на вал главного двигателя, чтобы обеспечить постоянную мощность при полной нагрузке на различных скоростях; или он может возвращать мощность скольжения в сеть питания ниже синхронной скорости и получать мощность скольжения из сети выше синхронной скорости, чтобы обеспечить постоянный крутящий момент при полной нагрузке.

В таких системах обычно используется машина Шербиуса, представляющая собой многофазную машину переменного тока. генератор, в котором выходное напряжение формируется в роторной обмотке коллекторного типа. На рис. 10 показаны соединения одного такого блока, в котором главный двигатель механически соединен с машиной Шербиуса и преобразователем частоты. Вспомогательные обмотки машины Шербиуса способствуют улучшению коэффициента мощности, а скорость регулируется переключением щеток, как в двигателе Шраге, чтобы обеспечить почти постоянный крутящий момент при полной нагрузке выше или ниже синхронной скорости во всем диапазоне скоростей. Возможны многие другие схемы, например, в однодиапазонном оборудовании Шербиуса, в котором машина Шербиуса может приводиться в действие отдельным генератором переменного тока. двигатель, однодиапазонное оборудование подходит для работы ниже синхронных скоростей. Машина Шербиуса с отдельным приводом может быть подключена к контактным кольцам главного двигателя и к коллекторным щеткам преобразователя частоты коммутатора, соединенного с главным двигателем, в двухдиапазонном оборудовании Шербиуса, обеспечивающем постоянный момент полной нагрузки выше или ниже синхронного. скорость.

Технологии коммутации и управления двигателем

Область управления движением обычно не известна своими громкими прорывами или быстрыми разработками. Конструкции двигателей, как правило, развиваются медленно, и инженеры по понятным причинам проявляют осторожность, когда дело доходит до изменения проверенных временем подходов. Однако в последнее время наблюдается активная деятельность по использованию передовых методов управления током, в частности полевого управления (FOC). Этот сложный математический метод управления бесщеточными асинхронными двигателями постоянного и переменного тока стал основным направлением в отрасли управления движением из-за его потенциала для повышения производительности и снижения энергопотребления.

Поле-ориентированное управление является значительным улучшением по сравнению со стандартным подходом для бесщеточных двигателей постоянного тока с трапециевидной коммутацией на основе Холла и имеет преимущество в диапазоне скоростей по сравнению с более сложной техникой синусоидальной коммутации. Для асинхронных двигателей переменного тока FOC является значительным улучшением по сравнению со стандартными методами привода с регулируемой скоростью и является двоюродным братом векторного управления потоком, который в некоторой степени похож на метод управления недорогими трехфазными асинхронными двигателями переменного тока, чтобы заставить их работать так, как если бы они были более дорогие бесколлекторные двигатели постоянного тока. Фактически, многие поставщики используют эти два термина как синонимы.

По сравнению с другими типами серводвигателей, такими как щеточные двигатели постоянного тока, которые до сих пор используются в ряде важных приложений, бесщеточные асинхронные двигатели постоянного и переменного тока обеспечивают большую удельную мощность, гораздо большую надежность, а в случае асинхронного двигателя переменного тока — более низкую расходы. Чтобы получить полный доступ к этим возможностям, дизайнеры движения и инженеры используют платформы быстрых алгоритмов в виде DSP (цифровых сигнальных процессоров) и специализированных микропроцессоров для повышения производительности и эффективности.

В бесщеточных двигателях постоянного тока более высокая производительность означает более плавное движение и большую рабочую скорость. Потенциал асинхронных двигателей переменного тока еще более захватывающий. По сравнению с простым управлением «все включено/выключено», FOC означает, что двигатели могут работать более эффективно, иметь более оптимальные размеры и эксплуатироваться с меньшим выделением тепла. Это также позволяет использовать такие функции, как реверс направления, и может позволить отказаться от внешнего оборудования, такого как тормоза или сцепления. Учитывая, что 60–65% всей энергии в США используется для привода электродвигателей, неудивительно, что рынок все чаще требует более эффективных двигателей.

Магнитное притяжение

С точки зрения создания крутящего момента хорошей рабочей моделью для большинства двигателей является простой стержневой магнит. Стержневой магнит вращается вокруг своего центра (моделируя ротор двигателя) и взаимодействует с магнитными полями, создаваемыми в статоре фиксированными неподвижными катушками. В бесколлекторных двигателях постоянного тока магнитное поле ротора создается магнитами, установленными непосредственно на роторе. Для асинхронных двигателей переменного тока магнитное поле ротора создается за счет индукции (отсюда и название двигателя) из магнитных полей в статоре. Направление этого магнитного поля, в отличие от бесщеточного двигателя постоянного тока, изменяется в зависимости от нескольких факторов, включая частоту и ток возбуждения статора, скорость вращения ротора и крутящий момент двигателя.

Обмотки статора для бесколлекторных двигателей постоянного тока обычно имеют трехфазную конфигурацию, как и обмотки для асинхронных двигателей переменного тока, используемых с методами ВОК. В частности, для асинхронных двигателей переменного тока стоит отметить, что также используются другие конфигурации обмоток, в частности, однофазный асинхронный двигатель переменного тока. Этот двигатель является рабочей лошадкой, используемой в большинстве семейных кондиционеров, холодильников, стиральных и сушильных машин, но он не подходит для самых передовых методов векторного управления, поскольку обмотки статора не могут управляться по отдельности.

В любом случае три фазы статора расположены на расстоянии 120 электрических градусов друг от друга. Это сумма сил, создаваемых этими тремя фазами, которая в конечном итоге создает полезное вращение двигателя. В зависимости от того, как сфазированы отдельные магнитные катушки, они могут взаимодействовать, создавая силу, которая не создает вращательный момент, или они могут создавать силу, которая вызывает вращение. Эти два разных вида силы известны как квадратурная (Q) и прямая (D), при этом полезные квадратурные силы (не путать со схемой квадратурного кодирования для устройств обратной связи по положению) действуют перпендикулярно оси полюса ротора, а Прямые силы, не создающие крутящего момента, действуют параллельно оси полюса ротора. Рисунок 1 показывает это.

Хитрость в создании вращения состоит в том, чтобы максимизировать Q (квадратурный) и минимизировать D (прямой) крутящий момент. В случае с бесколлекторным двигателем постоянного тока это, по крайней мере теоретически, несложно, потому что в бесколлекторных двигателях постоянного тока магниты установлены непосредственно на роторе. Таким образом, если угол ротора измеряется с помощью датчика Холла или датчика положения, направление магнитного поля от ротора известно. Все становится более интересным для приложений управления скоростью и крутящим моментом, где предпринимаются попытки управления без датчиков. Поскольку не существует прямых механических измерений положения ротора, угол должен быть выведен из профиля напряжения противо-ЭДС на трех обмотках. Хотя это и не тривиально, в наши дни управление обратной ЭДС довольно распространено. Помните, однако, что противо-ЭДС требует, чтобы двигатель вращался, поэтому она не подходит для приложений позиционирования, которые должны удерживаться в устойчивом положении.

В случае асинхронного двигателя переменного тока используется аналогичный подход, однако из-за дополнительного требования поддерживать некоторую величину индуктивного потока сила D не приводится к нулю, а вместо этого приводится к небольшому постоянному значению, характерному для двигатель. Кроме того, измерения положения ротора с помощью датчиков Холла или энкодера недостаточно для определения угла магнитного поля ротора, поскольку оно не сообщает нам эффективного угла магнитного поля, создаваемого ротором. Напомним, что это магнитное поле индуцируется и поэтому непрерывно изменяется.

Эта разница между положением ротора и магнитным углом ротора называется углом скольжения. Чем больше фактический крутящий момент двигателя, тем больше величина проскальзывания и, следовательно, тем больше компенсирующий крутящий момент двигателя. Это равновесие мало чем отличается от того, как работает гидростатическая трансмиссия. Чем больше разница в скорости между двигателем и колесами, тем больше крутящий момент, создаваемый трансмиссией. Это означает, что скорость вращения двигателя будет меньше частоты вращения статора.

Для типов приложений, в которых обычно используется индукция переменного тока, таких как кондиционеры, стиральные машины, сушилки и т. д., скорость двигателя с уменьшенным скольжением не является проблемой. Но для приложений позиционирования или для работы двигателя с максимальной эффективностью это скольжение должно явно контролироваться. Есть несколько способов сделать это, но все они требуют измерения или оценки индуцированного ротором электрического поля. Еще раз, распространенный способ добиться этого — использовать методы обратной ЭДС. Другой популярный подход известен как управление вектором потока, при котором измеряется механический угол ротора и делается попытка получить магнитный угол ротора алгоритмически, используя оценки различных характеристик двигателя.

Мечты об управлении, ориентированном на поле

Управление, ориентированное на поле, стало важным подходом к управлению/коммутации бесколлекторных двигателей постоянного тока и становится таковым также и для асинхронных двигателей переменного тока, поскольку оно обеспечивает широкий диапазон используемых скоростей двигателя. Поучительно сравнить FOC с ранее наиболее распространенным методом для бесколлекторных двигателей постоянного тока, синусоидальной коммутацией.

На рис. 2 (ниже) показаны схемы управления как для синусоидальной коммутации, так и для управления по полю. При синусоидальном подходе к управлению команда крутящего момента «векторизуется» с помощью синусоидальной справочной таблицы, тем самым вырабатывая отдельную команду для каждой обмотки двигателя. По мере продвижения ротора угол обзора увеличивается в натуральной форме. Как только векторизованная фазовая команда сгенерирована, она передается в токовую петлю, по одной для каждой обмотки, которая пытается поддерживать фактический ток обмотки на желаемом значении тока.

Важной особенностью этого подхода является то, что по мере увеличения частоты вращения двигателя возрастает сложность поддержания желаемого тока. Это связано с тем, что токовая петля напрямую «видит» частоту вращения, и любое отставание в токовой петле, определенное количество которого неизбежно, приводит к расхождению между желаемым моментом статора и фактическим. Это отставание, незначительное при низких скоростях вращения, создает увеличивающееся количество D (нежелательного) крутящего момента при более высоких скоростях вращения, что приводит к уменьшению доступного крутящего момента.

Схема управления для подхода управления, ориентированного на поле, отличается тем, что токовая петля возникает без ссылки на вращение двигателя. То есть независимо от вращения двигателя. В подходе FOC есть две фактические токовые петли: одна для крутящего момента Q и одна для крутящего момента D. Контур крутящего момента Q приводится в действие требуемым пользователем крутящим моментом от сервоконтроллера. Контур D управляется входной командой, равной нулю, чтобы свести к минимуму нежелательную составляющую прямого крутящего момента.

Хитрость, позволяющая выполнить всю эту работу, заключается в интенсивных математических операциях преобразования, известных как преобразования Парка и Кларка , которые преобразуют векторизованный фазовый угол в систему отсчета D и Q с разыменованной ссылкой. Это делается дважды: один раз для преобразования выходных данных контуров управления D и Q в команду трехфазного двигателя и один раз для преобразования измерения угла ротора обратно в кадры D и Q. Хотя об этих преобразованиях известно уже много лет, их практическая реализация в бесколлекторных асинхронных приводах постоянного и переменного тока ждала появления дешевых, высокопроизводительных цифровых сигнальных процессоров и микропроцессоров.

Теперь, когда они доступны, асинхронные двигатели переменного тока, в которых используется метод FOC, могут развивать КПД двигателя более 85% по сравнению с примерно 60% для неориентированных на поле подходов. Для сравнения, бесщеточные двигатели, в которых используется метод FOC, могут достигать еще более высокой эффективности до 95%. Синусоидальная коммутация для бесколлекторных двигателей постоянного тока также работает очень эффективно, но не так эффективно, как FOC в самом высоком диапазоне скоростей двигателя.

Где магнитное поле встречается с дорогой

Практически говоря, ваш выбор двигателя и усилителя часто определяет способ управления, который вы будете использовать.

Если для позиционирования используется бесщеточный двигатель постоянного тока, то бессенсорное управление не подходит. Вам понадобится энкодер и, скорее всего, датчик Холла. Если вы хотите получить максимальную производительность от вашего двигателя, вы будете тяготеть к управлению, ориентированному на поле. Однако, если вы не готовы собрать свой собственный усилитель (что для большинства является сложной задачей), вам придется приобрести дисковод со встроенной функцией.

В этой конфигурации привод обычно включает высокоуровневые функции управления перемещением, такие как генерация профиля, контур сервопривода положения и входы и выходы в стиле ПЛК. Существует ряд компактных одноосевых приводов, которые предлагают управление на основе Холла, синусоидальное или ориентированное на поле. Эти приводы обычно располагаются на шине RS/485, CANbus, Ethernet или другой последовательной шине. Все, что вам нужно сделать, это подключить двигатель и питание и отправить команды.

Если вы используете карточный подход, который вы приобрели или который вы разработали самостоятельно, ваши возможности по внедрению ориентированного на поле управления ограничены. Это связано с тем, что большинство готовых усилителей вводят аналоговый управляющий сигнал +/- 10 Вольт и не обеспечивают управление, ориентированное на поле. Те, которые это делают, как правило, дороги, потому что они включают в себя множество функций, которые вы не будете использовать, имея отдельную карту движения. Однако есть и хорошие новости: ряд поставщиков предлагают синусоидальное управление коммутацией. Это можно сделать с помощью карты управления движением путем вывода двух аналоговых сигналов +/- 10 В, представляющих требуемый ток фаз A и B. Для многих приложений синусоидальная коммутация обеспечивает значительное улучшение по сравнению с 6-ступенчатой ​​коммутацией на основе Холла и по-прежнему является отличным выбором для широкого спектра приложений движения.

Если вы используете бесколлекторные двигатели постоянного тока для устройств управления скоростью, таких как центрифуги, ленточные накопители или другие устройства без позиционирования, у вас есть несколько вариантов конструкции. Бессенсорное управление, безусловно, возможно, хотя приводы, которые предлагают безсенсорное ориентированное на поле управление, все еще редки. Более распространены приводы без датчиков, которые обеспечивают функцию коммутации, подобную синусоиде. Их можно приобрести на уровне IC или на уровне привода.

Если вы работаете с асинхронными двигателями переменного тока, вы, вероятно, разрабатываете приложения для управления скоростью или крутящим моментом, а не для приложений позиционирования. Много обсуждаемых в технических журналах практических примеров использования асинхронных двигателей переменного тока для позиционирования встречаются редко, за исключением некоторых специализированных областей, таких как приводы очень высокой мощности.

В любом случае, у вас есть выбор, но обычно он сводится к подходу «сделай сам» или подходу «купи диск». Если вы решите купить привод, у вас будет широкий выбор уровней производительности, начиная с простых инверторов управления скоростью и заканчивая очень сложными приводами, ориентированными на поле, и приводами с вектором потока.

Если вы решите создать свою собственную плату контроллера или усилитель, простое регулирование скорости не составит труда, если вы знакомы с базовой конструкцией инвертора и методами переключения MOSFET или IGBT. Для более продвинутых конструкций вы можете обратиться к доступным готовым ИС для выполнения ориентированного на поле управления асинхронными двигателями переменного тока.

Резюме

Развитие методов управления движением, растущий спрос на энергоэффективность и доступность недорогих микропроцессоров в совокупности позволили значительно поднять планку производительности бесколлекторных асинхронных двигателей постоянного и переменного тока.