Sterowanie prostownikiem

Słowo „zawór” w nazwie silnika pochodzi od słowa „zawór”, co oznacza przełącznik półprzewodnikowy. Tak więc w zasadzie napęd można nazwać napędem zaworowym, jeśli jego trybem pracy steruje specjalny konwerter sterowanych przełączników półprzewodnikowych.

Sam napęd zaworu jest układem elektromechanicznym składającym się z maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi na wirniku oraz elektronicznego komutatora (zasilającego uzwojenia stojana) z automatycznym układem sterowania opartym na czujnikach.

W tych wielu obszarach technologii, w których tradycyjnie instalowano silniki asynchroniczne lub maszyny prądu stałego, dziś często można znaleźć silniki zaworów, ponieważ materiały magnetyczne stają się tańsze, a podstawy elektroniki półprzewodnikowej i systemów sterowania rozwijają się bardzo szybko.

Silniki synchroniczne z wirnikiem z magnesami trwałymi mają szereg zalet:

• nie ma urządzenia do zbierania szczotek, dlatego zasób silnika jest dłuższy, a jego niezawodność wyższa niż maszyn ze stykami ślizgowymi, ponadto zakres obrotów roboczych jest większy;

• szeroki zakres napięć zasilania uzwojeń; dopuszczalne jest znaczne przeciążenie momentem obrotowym — więcej niż 5 razy;

• wysoka dynamika chwili;

• możliwa jest regulacja prędkości z zachowaniem momentu obrotowego przy niskich obrotach lub z zachowaniem mocy przy wysokich obrotach;

• Sprawność ponad 90%;

• minimalne straty na biegu jałowym;

• małe cechy wagi i rozmiaru.

Magnesy neodymowo-żelazowo-borowe są w pełni zdolne do wytworzenia indukcji w szczelinie rzędu 0,8 T, czyli na poziomie maszyn asynchronicznych, a główne straty elektromagnetyczne w takim wirniku są nieobecne. Oznacza to, że obciążenie liniowe wirnika można zwiększyć bez zwiększania całkowitych strat.

To jest powód wyższej sprawności elektromechanicznej. silniki zaworowe w porównaniu z innymi maszynami bezszczotkowymi, takimi jak silniki indukcyjne. Z tego samego powodu silniki zaworów zajmują teraz godne miejsce w katalogach wiodących producentów zagranicznych i krajowych.

Sterowanie przełącznikami falownika w silniku z magnesami trwałymi odbywa się tradycyjnie w zależności od położenia jego wirnika. Osiągnięta w ten sposób wysoka charakterystyka działania sprawia, że ​​sterowanie zaworami jest bardzo obiecujące w zakresie małej i średniej mocy w systemach automatyki, obrabiarkach, robotach, manipulatorach, urządzeniach współrzędnych, liniach produkcyjnych i montażowych, systemach naprowadzania i śledzenia, w lotnictwie, medycynie, transporcie itp. . .G.

W szczególności do miejskiego transportu elektrycznego produkowane są silniki zaworów tarczowych o mocy ponad 100 kW. Tutaj zastosowano magnesy neodymowo-żelazowo-borowe z dodatkami stopowymi, które zwiększają siłę koercji i podnoszą temperaturę pracy magnesów do 170°C, dzięki czemu silnik może z łatwością wytrzymać krótkotrwałe pięciokrotne przeciążenia prądowe i momentowe.

Napędy sterujące do okrętów podwodnych, lądowych i powietrznych, silników kołowych, pralek — silniki zaworowe znajdują dziś przydatne zastosowania w wielu miejscach.

Silniki zaworów są dwojakiego rodzaju: na prąd stały (BLDC — brushless DC) i na prąd przemienny (PMAC — permanent magnet AC). W silnikach prądu stałego trapezoidalna siła elektromotoryczna w uzwojeniach wynika z ułożenia magnesów wirnika i uzwojeń stojana W silnikach prądu przemiennego siła elektromotoryczna wirowania jest sinusoidalna. W tym artykule porozmawiamy o sterowaniu bardzo popularnym typem silnika bezszczotkowego - BLDC (prąd stały).

Silnik zaworu prądu stałego i jego zasada sterowania Silniki BLDC wyróżniają się obecnością przełącznika półprzewodnikowego, który działa zamiast charakterystycznego dla Maszyny prądu stałego z uzwojeniem stojana i wirnikiem magnetycznym.

Przełączanie komutatora silnika zaworu odbywa się w zależności od aktualnego położenia wirnika (w zależności od położenia wirnika). Najczęściej uzwojenie stojana jest trójfazowe, takie samo jak w przypadku silnika indukcyjnego połączonego w gwiazdę, a budowa wirnika z magnesami trwałymi może być inna.

Moment napędowy w BLDC powstaje w wyniku oddziaływania strumieni magnetycznych stojana i wirnika: strumień magnetyczny stojana cały czas dąży do obracania wirnika w takim położeniu, że strumień magnetyczny magnesów trwałych zainstalowany na nim pokrywa się w kierunku ze strumieniem magnetycznym stojana.

W ten sam sposób pole magnetyczne Ziemi orientuje igłę kompasu — rozwija ją „wzdłuż pola”. Czujnik położenia wirnika pozwala na utrzymanie stałego kąta pomiędzy przepływami na poziomie 90 ± 30°, w tej pozycji moment obrotowy jest maksymalny.

Przełącznik półprzewodnikowy zasilania uzwojenia stojana BLDC to sterowana przetwornica półprzewodnikowa z twardym algorytmem 120° do przełączania napięć lub prądów trzech faz pracy.

Przykładowy schemat funkcjonalny sekcji mocy przekształtnika z możliwością hamowania rekuperacyjnego przedstawiono na rysunku powyżej. Tutaj uwzględniono falownik z modulacją amplitudowo-impulsową wyjścia Tranzystory IGBT, a amplituda jest regulowana dzięki Modulacja szerokości impulsów na pośrednim łączu DC.

Zasadniczo do tego celu stosuje się tyrystorowe przetwornice częstotliwości z autonomicznym przetwornicą napięcia lub prądu z regulacją mocy oraz tranzystorowe przetwornice częstotliwości z autonomiczną przetwornicą napięcia sterowaną w trybie PWM lub z przekaźnikową regulacją prądu wyjściowego.

Dzięki temu charakterystyka elektromechaniczna silnika jest zbliżona do tradycyjnych maszyn prądu stałego ze wzbudzeniem magnetoelektrycznym lub niezależnym, dlatego układy sterowania BLDC budowane są według klasycznej zasady sterowania współrzędnościowego napędu prądu stałego z obrotami wirnika i pętlami prądowymi o stojan.

Do poprawnej pracy komutatora jako czujnik lub układ może być zastosowany pojemnościowy lub indukcyjny czujnik dyskretny sprzężony z silnikiem biegunowym oparte na czujnikach Halla z magnesami trwałymi.

Jednak obecność czujnika często komplikuje konstrukcję maszyny jako całości, aw niektórych zastosowaniach czujnik położenia wirnika w ogóle nie może zostać zainstalowany. Dlatego w praktyce często uciekają się do stosowania „bezczujnikowych” układów sterowania. Algorytm sterowania bezczujnikowego opiera się na analizie danych bezpośrednio z zacisków falownika oraz aktualnej częstotliwości wirnika lub zasilacza.

Najpopularniejszy algorytm bezczujnikowy polega na obliczeniu pola elektromagnetycznego dla jednej z faz silnika, który jest w danym momencie odłączony od zasilania. Przejście EMF fazy wyłączonej przez zero jest ustalone, określane jest przesunięcie o 90 °, obliczany jest moment, w którym powinien spaść środek następnego impulsu prądu. Zaletą tej metody jest jej prostota, ale są też wady: przy małych prędkościach dość trudno jest określić moment przejścia przez zero; opóźnienie będzie dokładne tylko przy stałej prędkości obrotowej.

Tymczasem w celu dokładniejszego sterowania stosuje się złożone metody szacowania położenia wirnika: zgodnie z połączeniem strumienia faz, zgodnie z trzecią harmoniczną pola elektromagnetycznego uzwojeń, zgodnie ze zmianami indukcyjności uzwojenia fazowe.

Rozważ przykład monitorowania połączeń strumieniowych. Wiadomo, że tętnienie momentu obrotowego BLDC, gdy silnik jest zasilany prostokątnymi impulsami napięcia, osiąga 25%, co skutkuje nierównymi obrotami, tworząc poniżej ograniczenie kontroli prędkości. Dlatego prądy o kształcie zbliżonym do kwadratu powstają w fazach stojana za pomocą zamkniętych obwodów sterowania.