Silnik zaworu

Maszyny prądu stałego z reguły mają wyższe wskaźniki techniczne i ekonomiczne (liniowość charakterystyk, wysoka wydajność, małe wymiary itp.) niż maszyny prądu przemiennego. Istotną wadą jest obecność aparatu szczotkowego, który zmniejsza niezawodność, zwiększa moment bezwładności, powoduje zakłócenia radiowe, zagrożenie wybuchem itp. Dlatego naturalnie zadanie stworzenia bezdotykowego (bezszczotkowego) silnika prądu stałego.

Rozwiązanie tego problemu stało się możliwe wraz z pojawieniem się urządzeń półprzewodnikowych. W bezdotykowym silniku prądu stałego, zwanym silnikiem prądu stałego, zestaw szczotek jest zastąpiony przełącznikiem półprzewodnikowym, zwora jest nieruchoma, wirnik jest trwały magnes.

Zasada działania silnika zaworowego

Silnik zaworu jest rozumiany jako zmienny elektryczny układ napędowy składający się z silnika elektrycznego prądu przemiennego strukturalnie zbliżonego do maszyny synchronicznej, przekształtnika zaworowego oraz urządzeń sterujących zapewniających komutację obwodów uzwojenia silnika w zależności od położenia wirnika silnika.W tym sensie silnik zaworu jest podobny do silnika prądu stałego, w którym za pomocą przełącznika komutacyjnego podłączony jest ten zwój uzwojenia twornika, który znajduje się poniżej biegunów pola.

Silnik prądu stałego to złożone urządzenie elektromechaniczne, które łączy w sobie najprostszą maszynę elektryczną i elektroniczny układ sterowania.

Silniki prądu stałego mają poważne wady, głównie ze względu na obecność kolektora szczotek:

1. Niewystarczająca niezawodność aparatu kolektora, potrzeba jego okresowej konserwacji.

2. Ograniczone wartości napięcia twornika i odpowiednio mocy silników prądu stałego, co ogranicza ich zastosowanie do szybkich napędów o dużej mocy.

3. Ograniczona przeciążalność silników prądu stałego, ograniczająca szybkość zmian prądu twornika, co jest istotne dla wysokodynamicznych napędów elektrycznych.

W silniku zaworowym te wady się nie ujawniają, gdyż tutaj przełącznik szczotkowo-kolektorowy zastępuje się przełącznikiem bezdotykowym wykonanym na tyrystorach (dla napędów dużej mocy) lub tranzystorach (dla napędów o mocy do 200 kW ). Na tej podstawie silnik zaworu, który jest konstrukcyjnie oparty na maszynie synchronicznej, jest często nazywany bezdotykowym silnikiem prądu stałego.

Pod względem sterowalności silnik bezszczotkowy jest również podobny do silnika prądu stałego — jego prędkość jest regulowana poprzez zmianę wielkości przyłożonego napięcia prądu stałego. Ze względu na dobre właściwości regulacyjne, silniki zaworowe znajdują szerokie zastosowanie w napędach różnych robotów, maszyn do obróbki metalu, maszyn i mechanizmów przemysłowych.

Komutator tranzystorowy z magnesami trwałymi z napędem elektrycznym

Silnik zaworu tego typu wykonany jest na bazie trójfazowej maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi na wirniku. Trójfazowe uzwojenia stojana zasilane są prądem stałym dostarczanym szeregowo do dwóch połączonych szeregowo uzwojeń fazowych. Przełączanie uzwojeń odbywa się za pomocą przełącznika tranzystorowego wykonanego zgodnie z trójfazowym obwodem mostkowym.Przełączniki tranzystorowe są otwierane i zamykane w zależności od położenia wirnika silnika. Schemat silnika zaworu pokazano na rys.

Figa. 1. Schemat silnika zaworu z przełącznikiem tranzystorowym

Moment obrotowy wytwarzany przez silnik jest określany przez interakcję dwóch wątków:

• stojan tworzony przez prąd w uzwojeniach stojana,

• wirnik wykonany z wysokoenergetycznych magnesów trwałych (na bazie stopów samaru-kobaltu i innych).

gdzie: θ jest kątem bryłowym między wektorami strumienia stojana i wirnika; pn to liczba par biegunów.

Strumień magnetyczny stojana ma tendencję do obracania wirnika z magnesem trwałym, tak że strumień wirnika jest zgodny z kierunkiem strumienia stojana (nie zapomnij o igle magnetycznej, kompasie).

Największy moment powstały na wale wirnika będzie pod kątem pomiędzy wektorami strumienia równym π / 2 i będzie malał do zera w miarę zbliżania się strumienia. Ta zależność jest pokazana na ryc. 2.

Rozważmy przestrzenny diagram wektorów strumienia odpowiadający modowi silnika (z liczbą par biegunów pn = 1). Załóżmy, że w tej chwili tranzystory VT3 i VT2 są włączone (patrz schemat na ryc. 1). Następnie prąd płynie przez uzwojenie fazy B iw przeciwnym kierunku przez uzwojenie fazy A. Wynikowy wektor ppm. stojan zajmie pozycję F3 w przestrzeni (patrz rysunek 3).

Jeśli wirnik znajduje się teraz w położeniu pokazanym na rys. 4, wtedy silnik rozwinie zgodnie z 1 maksymalny moment obrotowy, przy którym wirnik będzie się obracał zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Gdy kąt θ maleje, moment obrotowy będzie się zmniejszał. Gdy wirnik jest obrócony o 30 °, konieczne jest zgodnie z wykresem na ryc. 2. zamienić prąd w fazach silnika tak, aby stojan wektora wynikowego ppm znalazł się w pozycji F4 (patrz rys. 3). Aby to zrobić, wyłącz tranzystor VT3 i włącz tranzystor VT5.

Przełączanie faz odbywa się za pomocą przełącznika tranzystorowego VT1-VT6 sterowanego czujnikiem położenia wirnika DR; w tym przypadku kąt θ jest utrzymywany w granicach 90° ± 30°, co odpowiada maksymalnej wartości momentu obrotowego przy najmniejszych tętnieniach. Przy ρn = 1 na jeden obrót wirnika należy wykonać sześć przełączeń, a więc ppm. stojan wykona pełny obrót (patrz rys. 3). Gdy liczba par biegunów jest większa niż jedność, obrót wektora ppm stojana, a tym samym wirnika, wyniesie 360/pn stopni.

Figa. 2. Zależność momentu obrotowego silnika od kąta między wektorami strumienia stojana i wirnika (przy pn = 1)

Figa. 3. Schemat przestrzenny stojana ppm podczas przełączania faz silnika zaworu

Figa. 4. Diagram przestrzenny w trybie motorycznym

Regulacja wartości momentu obrotowego odbywa się poprzez zmianę wartości ppm. stojan, tj. zmiana średniej wartości prądu w uzwojeniach stojana

gdzie: R1 jest rezystancją uzwojenia stojana.

Ponieważ strumień silnika jest stały, siła elektromotoryczna indukowana w dwóch połączonych szeregowo uzwojeniach stojana będzie proporcjonalna do prędkości wirnika.Równanie równowagi elektrycznej dla obwodów stojana będzie miało postać

Gdy przełączniki są wyłączone, prąd w uzwojeniach stojana nie znika natychmiast, ale jest zamykany przez diody zwrotne i kondensator filtrujący C.

Dlatego regulując napięcie zasilania silnika U1, można regulować wielkość prądu stojana i momentu obrotowego silnika

Łatwo zauważyć, że otrzymane wyrażenia są podobne do analogicznych wyrażeń dla silnika prądu stałego, w wyniku czego charakterystyka mechaniczna silnika zaworu w tym obwodzie jest zbliżona do charakterystyki silnika prądu stałego z niezależnym wzbudzeniem przy Φ = const .

W rozpatrywanym obwodzie następuje zmiana napięcia zasilania silnika bezszczotkowego metodą regulacji szerokości impulsu… Zmieniając cykl pracy impulsów tranzystorów VT1-VT6 w okresach ich włączenia, możliwe jest dostosowanie średniej wartości napięcia dostarczanego do uzwojeń stojana silnika.

Aby zastosować tryb zatrzymania, należy zmienić algorytm działania przełącznika tranzystorowego w taki sposób, aby wektor ppm stojana był opóźniony względem wektora strumienia wirnika. Wtedy moment obrotowy silnika stanie się ujemny. Ponieważ na wejściu przekształtnika zainstalowany jest niesterowany prostownik, regeneracja energii hamowania w tym obwodzie jest niemożliwa.

Podczas wyłączania ładuje się kondensator filtra C. Ograniczenie napięcia na kondensatorach odbywa się poprzez podłączenie rezystancji rozładowania przez tranzystor VT7. W ten sposób energia hamowania jest rozpraszana w rezystancji obciążenia.