Двигатель постоянного тока трехфазный: Трёхфазный бесколлекторный двигатель

Трёхфазный бесколлекторный двигатель

1. Двигатель стиральной машины с прямым приводом

Пожалуй уже каждый слышал о стиральных машинах с прямым приводом барабана. Но до сих пор, даже не все специалисты по ремонту стиральных машин знают как устроен и как работает двигатель в такой машине.

Сама идея конечно не новая, ведь за основу взят шаговый двигатель, который уже давно получил распространение во многих электротехнических устройствах. А вот первое применение его в конструкции стиральной машины в качестве привода барабана, принадлежит корейскому концерну LG. С середины 2005 года, компания LG начала активно продвигать свою продукцию, заявляя о 10-ти летней гарантии на двигатель для стиральных машин с прямым приводом.

Сегодня, помимо LG, компании Samsung, Haier и Whirpool в ряде моделей стиральных машин стали применять подобные двигатели. Забегая вперёд, можно сказать, что компания LG не просчиталась и двигатель для прямого привода барабана действительно довольно надёжный и имеет преимущество по сравнению с более традиционным и распространённым коллекторным двигателем.

2. Устройство двигателя

Двигатель стиральной машины с прямым приводом, представляет собой трёхфазный бесколлекторный двигатель постоянного тока, отчасти похожий на шаговый двигатель, но это не совсем так. В иностранной литературе его ещё часто называют BLDC (Brushless Direct Current Motor — бесщёточный мотор постоянного тока), для удобства мы тоже будем применять эту аббревиатуру.

Такой двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Различают два вида подобных двигателей:

Inrunner, у которых магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, и Outrunner, у которых магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками. В стиральных машинах с прямым приводом применяется Outrunner тип двигателя.

В этой статье мы ознакомим с устройством двигателя от стиральной машины LG.

3. Ротор

Рис.2 Ротор двигателя стиральной машины LG с прямым приводом

Ротор BLDC — вращающаяся часть двигателя (Рис.2) По форме напоминает чашу, к внутренней стороне которой специальным клеем крепятся магниты прямоугольной формы. Магниты всегда имеют чётное количество и установлены с чередованием полюсов. В нашем случае установлено 12 магнитов, размер которых зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу. В центре ротора есть специальное посадочное отверстие с насечками, что позволяет, при помощи болта или гайки, закрепить ротор напрямую к валу барабана. С внешней стороны ротора, продавлено 10 щелей образующих на обратной его стороне небольшие лопасти для охлаждения обмоток статора.

4. Статор

Рис.3 Статор двигателя стиральной машины LG с прямым приводом

Статор BLDC — неподвижная часть двигателя и крепится к задней части бака стиральной машины (Рис.3) Статор состоит из нескольких листов магнитопроводящей стали заключённый в пластиковый каркас, который служит изолятором. В целом, каркас статора напоминает круг с прямоугольными зубьями. На каждый зуб статора наматывается катушка.

Обмотка трёхфазного бесколлекторного двигателя изготовлена из медной проволоки толщиной 1 мм. Классическая обмотка выполняется одним проводом для одной фазы, то есть все обмотки на зубьях одной фазы соединены последовательно. В данном случае статор имеет 36 зубьев — это значит по 12 зубьев на одну фазу. Сопротивление обмотки каждой фазы порядка 10 Ом.

Как известно, в трёхфазных двигателях, обмотки соединяют по схеме звезда или треугольник.

В нашем случае, обмотки статора соединены по схеме звезда, т.е. концы фаз имеют общую точку (Рис.4)

Поскольку в каждый момент времени работают только две фазы (при включении звездой), магнитные силы воздействуют на ротор неравномерно по всей окружности (Рис.5).

Силы, воздействующие на ротор, стараются его перекосить, что приводит к увеличению вибраций. Для устранения этого эффекта статор делают с большим количеством зубьев, а обмотку распределяют по зубьям всей окружности статора как можно равномернее (Рис.6)

Рис.4 Соединение обмоток по схеме «звезда»

Рис.5 Воздействие магнитных сил на ротор

Рис.6 Распределение магнитных сил в обмотке с несколькими зубьями

В двигателе стиральной машины LG, распределение фазных обмоток, а также относительное положение ротора и статора можно увидеть ниже (см. Рис.7). На схеме производителя, фазные обмотки обозначают буквами : V, W, U

Рис.7 Трёхфазный двигатель постоянного тока (BLDC) стиральной машины LG (общий вид)

Для контроля положения ротора применяется датчик работающий на эффекте Холла. Датчик реагирует на магнитное поле и поэтому его располагают на статоре таким образом, чтобы магниты ротора воздействовали на него.

5. Система управления трёхфазным двигателем (BLDC)

Стоит отметить, что система управления двигателем BLDC и схема её реализации аналогична схеме управления трёхфазным асинхронным двигателем описанной в другой нашей статье. Что бы в точности не повторяться, поясним всё же немного по другому.

Управление двигателем с прямым приводом построено на инверторе напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Инвертор — (от лат. inverto — поворачивать, переворачивать) — элемент вычислительной схемы, осуществляющий определённые преобразования сигнала изменяемой амплитуды и частоты. К примеру, в инверторе, сетевое напряжение 220 вольт с частотой 50 Гц, преобразуется в постоянное напряжение, а параметры питания обмоток статора двигателя могут колебаться от 0 до 120 вольт с частотой до 300 Гц.

Двигатель постоянного тока имеет три вывода (т.е. три фазы), на которые в разный момент времени подаётся «+» и «-» питания. Это реализуется при помощи IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором) представляющие электронные силовые ключи, включённые по мостовой схеме (Рис.8)

Рис.8 Условная схема силовой части инвертора и обмоток двигателя подключённых по схеме «звезда»

Замыкая ключ SW1 подаётся «+» на фазу V, а замыкая SW6 подаётся «-» на фазу U. Таким образом, ток потечет от «+» выпрямителя через фазы V и U. Для обеспечения обратного направления, открывается SW5 и SW2. В этом случае ток потечет от «+» выпрямителя через фазы U и V в обратном направлении. При работе двигателя одновременно должен быть о

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: особенности и принцип работы

Как работает бесколлекторный двигатель?

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение. Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами. Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя. 

Заказать бесколлекторный двигатель в нашем каталоге

В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла. 

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию. 

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего  номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют  двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя. 

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине  скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя. В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью. Для  применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ. 

С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур. Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Что это такое? — Avislab

Этой статьёй я начинаю цикл публикаций о бесколлекторных двигателях постоянного тока. Доступным языком  опишу общие сведения, устройство, алгоритмы управления бесколлекторным двигателем. Будут рассмотрены разные типы двигателей, приведены примеры подбора параметров регуляторов. Опишу устройство и алгоритм работы регулятора,  методику выбора силовых ключей и основных параметров регулятора. Логическим завершением публикаций будет схема регулятора.

Бесколлекторные двигатели получили широкое распространение благодаря развитию электроники и, в том числе, благодаря появлению недорогих силовых транзисторных ключей. Также немаловажную роль сыграло появление мощных неодимовых магнитов.

Однако не стоит считать бесколлекторный двигатель новинкой. Идея бесколлекторного двигателя появилась на заре электричества. Но, в силу неготовности технологий, ждала своего времени до 1962 года, когда появился первый коммерческий бесколлекторный двигатель постоянного тока. Т.е. уже более полувека существуют различные серийные реализации этого типа электропривода!

Немного терминологии

Бесколлекторные двигатели постоянного тока называют так же вентильными, в зарубежной литературе BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Обращаю Ваше внимание на то, что в коллекторном двигателе наоборот, обмотки находятся на роторе. Поэтому, далее в тексте ротор — магниты, статор — обмотки.

Для управления двигателем применяется электронный регулятор. В зарубежной литературе Speed Controller или ESC (Electronic speed control).

Что такое бесколлекторный двигатель?

Обычно люди, сталкиваясь с чем-то новым, ищут аналогии. Иногда приходится слышать фразы «ну это как синхронник», или еще хуже «он похож на шаговик». Поскольку большинство бесколлекторных двигателей трехфазные, это еще больше путает, что приводит к неправильному мнению о том, что регулятор «кормит» двигатель переменным 3-x фазным током. Все вышесказанное соответствует действительности только отчасти. Дело в том, что синхронными можно назвать все двигатели кроме асинхронных. Все двигатели постоянного тока являются синхронными с самосинхронизацией, но их принцип действия отличается от синхронных двигателей переменного тока, у которых самосинхронизация отсутствует. Как шаговый бесколлекторный двигатель тоже, наверное, сможет работать. Но тут такое дело: кирпич он тоже может летать… правда, недалеко, ибо для этого не предназначен. В качестве шагового двигателя больше подойдет вентильный реактивный двигатель.

Попробуем разобраться, что собой представляет бесколлекторный двигатель постоянного тока (Brushles Direct Current Motor). В самой этой фразе уже кроется ответ — это двигатель постоянного тока без коллектора. Функции коллектора выполняет электроника.

Преимущества и недостатки

Из конструкции двигателя удаляется довольно сложный, требующий обслуживания тяжелый и искрящий узел — коллектор. Конструкция двигателя существенно упрощается. Двигатель получается легче и компактнее. Значительно уменьшаются потери на коммутацию, поскольку контакты коллектора и щетки заменяются электронными ключами. В итоге получаем электродвигатель с наилучшими показателями КПД и показателем мощности на килограмм собственного веса, с наиболее широким диапазоном изменения скорости вращения. На практике бесколлекторные двигатели греются меньше, чем их коллекторные братья. Переносят большую нагрузку по моменту. Применение мощных неодимовых магнитов сделали бесколлекторные двигатели еще более компактными. Конструкция бесколекторного двигателя позволяет эксплуатировать его в воде и агресивных средах (разумеется, только двигатель, регулятор мочить будет очень дорого). Бесколлекторные двигатели практически не создают радиопомех.

Единственным недостатком считают сложный дорогостоящий электронный блок управления (регулятор или ESC). Однако, если вы хотите управлять оборотами двигателя, без электроники никак не обойтись. Если вам не надо управлять оборотами бесколлекторного двигателя, без электронного блока управления все равно не обойтись. Бесколлекторный двигатель без электроники — просто железка. Нет возможности подать на него напряжение и добиться нормального вращения как у других двигателей.

Что происходит в регуляторе бесколлекторного двигателя?

Для того чтобы понять, что происходит в электронике регулятора, управляющего бесколлекторным двигателем, вернемся немного назад и сначала разберемся как работает коллекторный двигатель. Из школьного курса физики помним, как магнитное поле действует на рамку с током. Рамка с током вращается в магнитном поле. При этом она не вращается постоянно, а поворачивается до определенного положения. Для того чтобы происходило непрерывное вращение, нужно переключать направление тока в рамке в зависимости от положения рамки. В нашем случае рамка с током — это обмотка двигателя, а переключением занимается коллектор — устройство со щетками и контактами. Устройство простейшего двигателя смотри на рисунке.

То же самое делает и электроника, управляющая бесколлекторным двигателем — в нужные моменты подключает постоянное напряжение на нужные обмотки статора.

Датчики положения, двигатели без датчиков

Из вышесказанного важно уяснить, что подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора. Поэтому электроника должна уметь определять положение ротора двигателя. Для этого применяются датчики положения. Они могут быть различного типа, оптические, магнитные и т.д. В настоящее время очень распространены дискретные датчики на основе эффекта Холла (например SS41). В трехфазном бесколлекторном двигателе используется 3 датчика. Благодаря таким датчикам электронный блок управления всегда знает, в каком положении находится ротор и на какие обмотки подавать напряжение в каждый момент времени. Позже будет рассмотрен алгоритм управления трехфазным бесколлекторным двигателем.

Существуют бесколлекторные двигатели, которые не имеют датчиков. В таких двигателях положение ротора определяется путем измерения напряжения на незадействованной в данный момент времени обмотке. Эти методы также будут рассмотрены позднее. Следует обратить внимание на существенный момент: этот способ актуален только при вращении двигателя. Когда двигатель не вращается или вращается очень медленно, такой метод не работает.

В каких случаях применяют бесколлекорные двигатели с датчиками, а в каких — без датчиков? В чем их отличие?

Двигатели с датчиками положения более предпочтительны с технической точки зрения. Алгоритм управления такими двигателями значительно проще. Однако есть и свои минусы: требуется обеспечить питание датчиков и прокладку проводов от датчиков в двигателе к управляющей электронике; в случае выхода со строя одного из датчиков, двигатель прекращает работу, а замена датчиков, как правило, требует разборки двигателя.

В тех случаях, когда конструктивно невозможно разместить датчики в корпусе двигателя, используют двигатели без датчиков. Конструктивно такие двигатели практически не отличаются от двигателей с датчиками. А вот электронный блок должен уметь управлять двигателем без датчиков. При этом блок управления должен соответствовать характеристикам конкретной модели двигателя.

Если двигатель должен стартовать с существенной нагрузкой на валу двигателя (электротранспорт, подъёмные механизмы и т.п.) — применяют двигатели с датчиками.
Если двигатель стартует без нагрузки на валу (вентиляция, воздушный винт, применяется центробежная муфта сцепления и т.п.), можно применять двигатели без датчиков. Запомните: двигатель без датчиков положения должен стартовать без нагрузки на валу. Если это

«Бесколлекторные двигатели» ЛикБез и проектирование — Паркфлаер

Принцип работы электрического двигателя:
В основу работы любой электрической машины положено явление электромагнитной индукции. Поэтому если в магнитное поле поместить рамку с током, то на неё подействует сила Ампера, которая создаст вращательный момент. Рамка начнет поворачиваться и остановится в положении отсутствия момента, создаваемого силой Ампера.

Устройство электрического двигателя:
Любой электрический двигатель состоит из неподвижной части — Статора и подвижной части — Ротора. Для того чтобы началось вращение, нужно по очереди менять направление тока. Эту функцию и выполняет Коллектор (щетки).

Бесколлекторный двигатель — это двигатель ПОСТОЯННОГО ТОКА без коллектора, в котором функции коллектора выполняет электроника. (Если у двигателя три провода, это не значит что он работает от трехфазного переменного тока! А работает он от «порций» коротких импульсов постоянного тока, и не хочу вас шокировать, но те же двигатели которые используются в кулерах, тоже бесколлекторные, хоть они и имеют всего два провода питания постоянного тока)

Устройство бесколлекторного двигателя:
Inrunner (произносится как «инраннер»). Двигатель имеет расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор.

Outrunner (произносится как «аутраннер»). Двигатель имеет неподвижные обмотки (внутри) вокруг которых вращается корпус с помещенным на его внутреннюю стенку постоянными магнитами.

Принцип работы:
Для того чтобы бесколлекторный двигатель начал вращаться, напряжение на обмотки двигателя надо подавать синхронно. Синхронизация может быть организованна с использованием внешних датчиков (оптические или датчики холла), так и на основе противоЭДС (бездатчиковый), которая возникает в двигателе при его вращении.

Бездатчиковое управление:
Существуют бесколлекторные двигатели без каких либо датчиков положения. В таких двигателях определение положения ротора выполняется путем измерения ЭДС на свободной фазе. Мы помним, что в каждый момент времени к одной из фаз (А) подключен «+» к другой (В) «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, двигатель наводит ЭДС (т.е. в следствии закона электромагнитной индукции в катушке образуется индукционный ток) в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе (С) изменяется. Измеряя напряжение на свободной фазе, можно определить момент переключения к следующему положению ротора.

Что бы измерить это напряжение изпользуется метод «виртуальной точки». Суть заключается в том, что, зная сопротивление всех обмоток и начальное напряжение, можно виртуально «переложить провод» в место соединения всех обмоток:

Регулятор скорости бесколлекторного двигателя:
Бесколлекторный двигатель без электроники — просто железка, т.к. при отсутствии регулятора, мы не можем просто подключить напряжение на него, чтоб он просто начал нормальное вращение. Регулятор скорости — это довольно сложная система радиокомпонентов, т.к. она должна:
1) Определять начальное положение ротора для запуска электродвигателя
2) Управлять электродвигателем на низких скоростях
3) Разгонять электродвигатель до номинальной (заданной) скорости вращения
4) Поддерживать максимальный момент вращения

Принципиальная схема регулятора скорости (вентильная):

Бесколлекторные двигатели были придуманы на заре появления электричества, однако систему управления к ним никто не мог сделать. И только с развитием электроники: с появлением мощных полупроводниковых транзисторов и микроконтроллеров, бесколлекторные двигатели стали применятся в быту (первое промышленное использование в 60-х годах).

Достоинства и недостатки бесколлекторных двигателей:

Достоинства:
-Частота вращения изменяется в широком диапазоне
-Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
-Большая перегрузочная способность по моменту
-Высокие энергетические показатели (КПД более 90 %)
-Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов

Недостатки:
-Относительно сложная система управления двигателем
-Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих материалов в конструкции ротора (магниты, подшипники, валы)
Разобравшись с теорией, перейдем к практике: спроектируем и сделаем двигатель для пилотажной модели МХ-2.

Список материалов и оборудования:
1) Проволока (взятая из старых трансформаторов)
2) Магниты (купленные в интернете)
3) Статор (барашек)
4) Вал
5) Подшипники
6) Дюралюминий
7) Термоусадка
8) Доспуп к неограниченному техническому хламу
9) Доступ к инструментам
10) Прямые руки 🙂

Ход работы:
1) С самого начала решаем:

Для чего делаем двигатель?
На что он должен быть рассчитан?
В чем мы ограничены?

В моем случае: я делаю двигатель для самолета, значит пускай он будет внешнего вращения; рассчитан он должен на то, что он должен выдать 1400 грамм тяги при трех-баночном аккумуляторе; ограничен я в весе и в размере. Однако с чего же начать? Ответ на этот вопрос прост: с самой трудной детали, т.е. с такой детали, которую легче просто найти, а все остальное подгонять под неё. Я так и поступил. После многих неудачных попыток сделать статор из листовой мягкой стали, мне стало понятно, что лучше найти её. Нашел я её в старой видеоголовке от видеорекоудора.

2) Обмотка трехфазного бесколлекторного двигателя выполняется изолированным медным проводом, от сечения которого зависит значение силы тока, а значит и мощность двигателя. Незабываем что, чем толще проволока, тем больше оборотов, но слабее крутящий момент. Подбор сечения:

1А — 0.05мм; 15А — 0.33мм; 40А — 0.7мм

3А — 0.11мм; 20А — 0.4мм; 50А — 0.8мм

10А — 0.25мм; 30А — 0.55мм; 60А — 0.95мм

3) Начинаем наматывать на полюса проволоку. Чем больше витков (13) намотано на зуб, тем большее магнитное поле. Чем сильнее поле, тем больший крутящий момент и меньшее количество оборотов. Для получения высоких оборотов, необходимо мотать меньшее количество витков. Но вместе с этим падает и крутящий момент. Для компенсации момента, обычно на мотор подают более высокое напряжение.

4) Дальше выбираем способ соединения обмотки: звездой или треугольником. Соединение звездой дает больший крутящий момент, но меньшее количество оборотов, чем соединение треугольником в 1.73 раз. (впоследствии было выбрано соединение треугольник)

5) Выбираем магниты. Количество полюсов на роторе должно быть четным (14). Форма применяемых магнитов обычно прямоугольная. Размер магнитов зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу. Также чем больше количество полюсов, тем больше момент, но меньше оборотов. Магниты на роторе закрепляются с помощью специального термоклея.

Испытания данного двигателя я проводил на созданной мной витномоторной установке, которая позволяет измерить тягу, мощность и обороты двигателя.

Чтобы увидеть отличия соединений «звезда» и «треугольник» я соединял по разному обмотки:

В итоге получился двигатель соответствующий характеристикам самолета, масса которого 1400 грамм.

Характеристики полученного двигателя:
Потребляемый ток: 34.1А
Ток холостого хода: 2.1А
Сопротивление обмоток: 0.02 Ом
Количество полюсов: 14
Обороты: 8400 об/мин

Видеоотчет испытания двигателя на самолете… Мягкой посадки 😀

Расчет КПД двигателя:

Очень хороший показатель… Хотя можно было еще выше добиться…

Выводы:
1) У бесколлекторных двигателей высокая эффективность и КПД
2) Бесколлекторные двигатели компактны
3) Бесколлекторные двигатели можно использовать во взрывоопасных средах
4) Соединение звездой дает больший крутящий момент, но меньшее количество оборотов в 1.73 раза, чем соединение треугольником.

Таким образом, изготовить собственный бесколлекторный мотор для пилотажной модели самолета- задача выполнимая

Если у вас есть вопросы или вам что-то не понятно, задавайте мне вопросы в комметариях этой статьи. Удачи всем)

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, устройство, виды

Главная проблема коллекторных двигателей – это как раз-таки наличие коллекторного узла. Щётки стираются, а ламели изнашиваются, от слоя графитовой пыли между ними происходят замыкания, возникает искрение. Этих проблем нет в асинхронных машинах, но работать от постоянного тока они не могут. Бесколлекторный двигатель постоянного тока лишен обозначенных выше недостатков. О том, что это такое, как работает и где используются двигатели БДПТ мы и поговорим в этой статье.

Определение

Бесколлекторным называют электродвигатель постоянного тока, ток в обмотках которого переключает специальное устройство-коммутатор — он носит название «драйвер» или «инвертор» и эти обмотки всегда расположены на статоре. Коммутатор состоит из 6 транзисторов, они и подают ток в ту или иную обмотку, в зависимости от положения ротора.

В отечественной литературе такие двигатели называют «вентильными» (потому что полупроводниковые ключи называют «вентилями»), и есть разделение таких электромашин на два вида по форме противо—ЭДС. В зарубежной литературе такое различие сохраняется, один из них называют аналогично русскому «BLDC» (brushless direct current drive или motor), что в дословном переводе звучит как «бесщёточный двигатель постоянного тока» в их обмотках возникает трапецеидальная ЭДС. Вентильные же электродвигатели с синусоидальной ЭДС называют PMSM (Permanent magnet synchronous machine), что переводится как «синхронный электродвигатель с возбуждением постоянными магнитами».

Устройство и принцип действия

Коллектор в КДПТ служит узлом переключения тока в обмотках якоря. В бесколлекторном электродвигателе постоянного тока (БДПТ) эту роль выполняют не щетки с ламелями, а коммутатор она полупроводниковых ключах — транзисторах. Транзисторы переключают обмотки статора, создавая вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнитов ротора. А при протекании тока через проводник, который находится в магнитном поле, на него действует сила Ампера, за счет действия этой силы и образуется крутящий момент на валу электрических машин. На этом и основан принцип работы любого электродвигателя.

Теперь же разберемся в том, как устроен бесколлекторный двигатель. На статоре БДПТ обычно расположены 3 обмотки, по аналогии с электродвигателями переменного тока их часто называют трехфазными. Отчасти это верно: бесколлекторные двигатели работают от источника постоянного тока (чаще от аккумуляторов), но контроллер включает ток обмотках поочерёдно. Однако при этом не совсем верно говорить, что по обмоткам протекает переменный ток. Конечная форма питающего обмотки напряжения формируется прямоугольными импульсами управления транзисторами.

Трёхфазный бесколлекторный двигатель может быть трёхпроводными или четырёхпроводным, где четвертый провод — отвод от средней точки (если обмотки соединены по схеме звезды).

Обмотки или, говоря простым словами, катушки медного провода укладываются в зубы сердечника статора. В зависимости от конструкции и назначения привода на статоре может быть разное количество зубцов. Встречаются разные варианты распределения обмоток фаз по зубцам ротора, что иллюстрирует следующий рисунок.

Обмотки каждого из зубов в пределах одной фазы могут соединяться последовательно или параллельно, в зависимости от поставленных конструктору задач по мощности и моменту проектируемого привода, а сами же обмотки фаз соединяются между собой по схеме звезды или треугольника, подобно асинхронным или синхронным трёхфазными электродвигателям переменного тока.

В статоре могут устанавливаться датчики положения ротора. Часто используются датчики холла, они дают сигнал контроллеру, когда на них воздействует магнитное поле магнитов ротора. Это нужно для того чтобы контроллер «знал», в каком положении находится ротор и подавал питание на соответствующие обмотки. Это нужно для повышения эффективности и стабильности работы, а если кратко, — чтобы выжать из двигателя всю возможную мощность. Датчиков обычно устанавливается 3 штуки. Но наличие датчиков усложняет устройство бесколлекторного электродвигателя, к ним нужно проводить дополнительные провода для питания и линии данных.

В БДПТ для возбуждения используются постоянные магниты, установленные на роторе, а статор — это якорь. Напомним, что в коллекторных машинах наоборот (ротор — это якорь), а для возбуждения в КД используются как постоянные магниты, так и электромагниты (обмотки).

Магниты устанавливаются с чередованием полюсов, и соответственно их количество определяет количество пар полюсов. Но это не значит, что сколько магнитов, то столько же и пар полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс. От числа полюсов, как в случае и с асинхронным двигателем (и другими) зависит число оборотов в минуту. То есть от одного контроллера на одинаковых настройках бесколлекторные двигатели с разным числом пар полюсов будут вращаться с разной скоростью.

Виды БДПТ

Теперь давайте разберемся, какими бывают бесколлекторные двигатели на постоянных магнитах. Их классифицируют по форме противо-ЭДС, конструкции, а также по наличию датчиков положения ротора. Итак, два основных типа отличающихся формой противо-ЭДС, которая наводится в обмотках при вращении ротора:

• BLDC — в них трапецеидальная противо-ЭДС;
• PMSM — противо-ЭДС синусоидальная.

В идеальном случае для них нужны разные источники питания (контроллеры), но на практике они взаимозаменяемы. Но если использовать контроллер с прямоугольными или трапецеидальным выходным напряжением с PMSM-двигателем, то будут слышны характерные звуки, похожие на стук во время вращения.

А по конструкции бесколлекторные двигатели постоянного тока бывают:

• С внутренним ротором. Это более привычное представление электродвигателя, когда статор — это корпус, а вращается вал, расположенный в нём. Часто их называют английским словом «Inrunner». Такой вариант обычно применяют для высокооборотистых электродвигателей
• С внешним ротором. Здесь вращается внешняя часть двигателя с закреплённым на ней валом, в англоязычных источниках его называют «outrunner». Эту схему устройства используют, когда нужен высокий момент.

Выбирают конструкцию в зависимости от того для чего нужен бесколлекторный двигатель в конкретном применении.

Современная промышленность выпускает бесколлекторные двигатели как с датчиками положения ротора, так и без них. Дело в том, что существует множество способов управления БДПТ, для некоторых из них нужны датчики положения, другие определяют положения по ЭДС в обмотках, третьи и вовсе просто подают питание на нужные фазы и электродвигатель самостоятельно синхронизируется с таким питанием и входит в рабочий режим.

Основные характеристики бесколлекторных двигателей постоянного тока:

1. Режим работы — длительный или кратковременный.
2. Максимальное рабочее напряжение.
3. Максимальный рабочий ток.
4. Максимальная мощность.
5. Максимальные обороты, часто указывают не обороты, а KV — об/в, то есть количество оборотов на 1 вольт приложенного напряжения (без нагрузки на валу). Чтобы получить максимальные обороты — умножьте это число на максимальное напряжение.
6. Сопротивление обмотки (чем оно меньше, тем выше КПД), обычно составляет сотые и тысячные доли Ома.
7. Угол опережения фазы (timing) — время, через которое ток в обмотке достигнет своего максимума, это связано с её индуктивностью и законами коммутации (ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

Схема подключения

Как было сказано выше, для работы бесколлекторного двигателя нужен специальный контроллер. На алиэкспресс можно найти как комплекты из двигателя и контроллера, так и по отдельности. Контроллер также называют ESC Motor или Electric Speed Controller. Выбирают их по силе тока, отдаваемого в нагрузку.

Обычно подключение электродвигателя к контроллеру не вызывает затруднений и понятно даже для чайников. Главное, что нужно знать — для смены направления вращения нужно изменить подключение любых двух фаз, собственно также, как и в трёхфазных асинхронных или синхронных электродвигателях.

В сети есть и ряд технических решений и схем как сложных, так и для чайников, которые вы можете увидеть ниже.

В этом видеоролике автор рассказывает, как подружить БК моторчик с «ардуиной».

А в этом ролике вы узнаете о различных способах подключения к разным регуляторам и как его можно сделать своими руками. Автор демонстрирует это на примере моторчика от HDD, и пары мощных экземпляров — inrunner и outrunner.

Кстати схему из видео для повторения также прикладываем:

Где применяются бесколлекторные двигатели

Сфера применения таких электродвигателей досрочно широка. Они используются как для привода мелких механизмов: в дисководах CD, DVD-приводах, жёстких дисках, так и в мощных устройствах: аккумуляторе и сетевом электроинструменте (с питанием порядка 12В), радиоуправляемых моделях (например, квадрокоптерах), станках ЧПУ для привода рабочего органа (обычно моторчики с номинальным напряжением 24В или 48В).

Широкое применение БДПТ нашли в электротранспорте, почти все современные мотор-колеса электросамокатов, велосипедов, мотоциклов и автомобилей — это бесколлекторные двигатели. К слову, номинальное напряжение электродвигателей для транспорта лежит в широком пределе, например, мотор-колесо для велосипеда зачастую работает от 36В или от 48В, за редким исключением и больше, а в автомобилях, например, на Toyota Prius порядка 120В, а на Nissan Leaf – доходит до 400, при том что заряжается от сети 220В (это реализуется с помощью встроенного преобразователя).

На самом деле область применения бесколлекторных электродвигателей очень обширна, отсутствие коллекторного узла позволяет его применять опасных местах, а также в местах с повышенной влажностью, без опасений замыканий, искрения или возгорания из-за дефектов в щеточном узле. Благодаря высокому КПД и хорошим массогабаритным показателям они нашли применение и в космической промышленности.

Преимущества и недостатки

Бесколлекторным двигателям постоянного тока, как и другим видам электромашин, присущи определенные достоинства и недостатки.

Преимущества у БДПТ заключаются в следующем:

• Благодаря возбуждению мощными постоянными магнитами (неодимовыми, например) превосходят по моменту и мощности и имеют меньшие габариты, чем асинхронные двигатели. Чем пользуется большинство производителей электротранспорта — от самокатов до автомобилей.
• Нет искрящего щеточно-коллекторного узла, который требует регулярного обслуживания.
• При использовании качественного контроллера в отличие от того же КД не выдают помехи в питающую сеть, что особенно важно в радиоуправляемых устройствах и транспорте с развитым электронным оборудованием в бортовой сети.
• КПД более 80, чаще и 90%.
• Высокая скорость вращения, в отдельных случаях до 100000 об/мин.

Но есть и существенный минус: бесколлекторный двигатель без контроллера — просто кусок железа с медной обмоткой. Он никак не сможет работать. Контроллеры стоят недешево и чаще всего их приходится заказывать в интернет-магазинах или с алиэкспресс. Из-за этого использовать БК-моторы в моделях и устройствах домашнего производства не всегда возможно.

Теперь вы знаете, что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока, как он работает и где применяется. Надеемся, наша статья помогла вам разобраться во всех вопросах!

Материалы по теме:

Управление бесколлекторным двигателем по сигналам обратной ЭДС – понимание процесса

Когда я начал разрабатывать блок управления бесколлекторным двигателем (мотор-колесом), было много вопросов о том, как сопоставить реальный двигатель с абстрактной схемой из трех обмоток и магнитов, на которой, как правило, все объясняют принцип управления бесколлекторными двигателями.

Когда я реализовал управление по датчикам Холла я еще не очень понимал, что происходит в двигателе дальше абстрактных трех обмоток и двух полюсов: почему 120 градусов и почему алгоритм управления именно такой.

Все встало на место, когда я начал разбираться в идее бездатчикового управления бесколлекторным двигателем — понимание процесса, происходящего в реальной железке, помогло разработать аппаратную часть и понять алгоритм управления.

Ниже я постараюсь расписать свой путь к пониманию принципа управления бесколлекторным двигателем постоянного тока.

Для работы бесколлекторного двигателя необходимо чтобы постоянное магнитное поле ротора увлекалось за вращающемся электромагнитным полем статора, как и в обычном ДПТ.

Вращение магнитного поля статора осуществляется коммутацией обмоток с помощью электронного блока управления.

Конструкция бесколлекторного двигателя схожа с конструкцией синхронного двигателя, если подключить бесколлекторный двигатель в трехфазную сеть переменного тока, удовлетворяющую электрическим параметрам двигателя, он будет работать.

Определенная коммутация обмоток бесколлекторного двигателя позволяет управлять им от источника постоянного тока. Чтобы понять, как составить таблицу коммутаций бесколлекторного двигателя необходимо рассмотреть управление синхронной машиной переменного тока.

Синхронная машина

Синхронная машина управляется от трехфазной сети переменного тока. Двигатель имеет 3 электрические обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов.

Запустив трехфазный двигатель в генераторном режиме, постоянным магнитным полем будет наводиться ЭДС на каждую из обмоток двигателя, обмотки двигателя распределены равномерно, на каждую из фаз будет наводиться синусоидальное напряжение и данные сигналы будут смещены между собой на 1/3 периода (рисунок 1). Форма ЭДС меняется по синусоидальному закону, период синусоиды равен 2П(360), поскольку мы имеем дело с электрическими величинами (ЭДС, напряжение, ток) назовем это электрическими градусами и будем измерять период в них.

При подаче на двигатель трехфазного напряжения в каждый момент времени на каждой обмотке будет некое значение силы тока.

                                                Рисунок 1. Вид сигнала трехфазного источника переменного тока.

Каждая обмотка формирует вектор магнитного поля пропорциональный току на обмотке. Сложив 3 вектора можно получить результирующий вектор магнитного поля. Так как с течением времени ток на обмотках двигателя меняется по синусоидальному закону, меняется величина вектора магнитного поля каждой обмотки, а результирующий суммарный вектор меняет угол поворота, при этом величина данного вектора остается постоянной.

                                                       Рисунок 2. Один электрический период трехфазного двигателя.

На рисунке 2 изображен один электрический период трехфазного двигателя, на данном периоде обозначено 3 произвольных момента, чтобы построить в каждом из этих моментов вектора магнитного поля отложим данный период, 360 электрических градусов, на окружности. Разместим 3 обмотки двигателя сдвинутые на 120 электрических градусов относительно друг друга (рисунок 3).

     Рисунок 3. Момент 1. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Вдоль каждой из фаз построен вектор магнитного поля, создаваемый обмоткой двигателя. Направление вектора определяется направлением постоянного тока в обмотке, если напряжение, прикладываемое к обмотке положительно, то вектор направлен в противоположную сторону от обмотки, если отрицательное, то вдоль обмотки. Величина вектора пропорциональна величине напряжения на фазе в данный момент.

Чтобы получить результирующий вектор магнитного поля необходимо сложить данные вектора по закону сложения векторов.

Аналогично построение для второго и третьего моментов времени.

      Рисунок 4. Момент 2. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Так, с течение времени, результирующий вектор плавно меняет свое направление, на рисунке 5 изображены получившиеся вектора и изображен полный поворот магнитного поля статора за один электрический период.

                                 Рисунок 5. Вид вращающегося магнитного поля формируемого обмотками на статоре двигателя.

За этим вектором электрического магнитного поля увлекается магнитное поле постоянных магнитов ротора в каждый момент времени (рисунок 6).

                            Рисунок 6. Постоянный магнит (ротор) следует направлению магнитного поля формируемого статором.

Так работает синхронная машина переменного тока.

Имея источник постоянного тока необходимо самостоятельно формировать один электрический период со сменой направлений тока на трех обмотках двигателя. Поскольку бесколлекторный двигатель по конструкции такой же, как синхронный, в генераторном режиме имеет идентичные параметры, необходимо отталкиваться от рисунка 5, где изображено сформированное вращающееся магнитное поле.

Постоянное напряжение

Источник постоянного тока имеет только 2 провода «плюс питания» и «минус питания» это значит, что есть возможность подавать напряжение только на две из трех обмоток. Необходимо аппроксимировать рисунок 5 и выделить все моменты, при которых возможно скоммутировать 2 фазы из трех.

Число перестановок из множества 3 равняется 6, следовательно, имеется 6 вариантов подключения обмоток.

Изобразим возможные варианты коммутаций и выделим последовательность, при которой вектор будет шаг за шагом проворачиваться далее пока не дойдет до конца периода и не начнет сначала.

Электрический период будем отсчитывать от первого вектора.

      Рисунок 7. Вид шести векторов магнитного поля которые можно создать от источника постоянного тока коммутацией двух из трех обмоток.

На рисунке 5 видно, что при управлении трехфазным синусоидальным напряжением имеется множество векторов плавно проворачивающихся с течением времени, а при коммутации постоянным током возможно получить вращающееся поле только из 6 векторов, то есть переключение на следующий шаг должно происходить каждые 60 электрических градусов.

Результаты из рисунка 7 сведены в таблицу 1.

 Таблица 1. Полученная последовательность коммутаций обмоток двигателя.

Вид получившегося управляющего сигнала в соответствии с таблицей 1 изображен на рисунке 8. Где -V коммутация на минус источника питания (GND), а +V коммутация на плюс источника питания.
    Рисунок 8. Вид управляющих сигналов от источника постоянного тока для бесколлекторного двигателя. Желтый – фаза W, синий – U, красный – V.

Однако реальная картина с фаз двигателя будет похожа на синусоидальный сигнал из рисунка 1. У сигнала образуется трапециевидная форма, так как в моменты, когда обмотка двигателя не подключена, постоянные магниты ротора наводят на нее ЭДС (рисунок 9).

                                    Рисунок 9. Вид сигнала с обмоток бесколлекторного двигателя в рабочем режиме.

На осциллографе это выглядит так:

                                 Рисунок 10. Вид окна осциллографа при измерении одной фазы двигателя.

Конструктивные особенности

Как было сказано ранее за 6 переключений обмоток формируется один электрический период 360 электрических градусов.

Необходимо связать данный период с реальным углом вращения ротора. Двигатели с одной парой полюсов и трехзубым статором применяются крайне редко, двигатели имеют N пар полюсов.

На рисунке 11 изображены модели двигателя с одной парой полюсов и с двумя парами полюсов.

                                       а.                                                                                              б.
                                      Рисунок 11. Модель двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

Двигатель с двумя парами полюсов имеет 6 обмоток, каждая из обмоток парная, каждая группа из 3 обмоток смещена между собой на 120 электрических градусов. На рисунке 12б. отложен один период для 6 обмоток. Обмотки U1-U2, V1-V2, W1-W2 соединены между собой и в конструкции представляют 3 провода вывода фаз. Для простоты рисунка не отображены соединения, но следует запомнить, что U1-U2, V1-V2, W1-W2 одно и то же.

На рисунке 12, исходя из данных таблицы 1, изображены вектора для одной и двух пар полюсов.

                                       а.                                                                                              б.
                     Рисунок 12. Схема векторов магнитного поля для двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

На рисунке 13 изображены вектора, созданные 6 коммутациями обмоток двигателя с одной парой полюсов. Ротор состоит из постоянных магнитов, за 6 шагов ротор провернется на 360 механических градусов.

На рисунке обозначены конечные положения ротора, в промежутках между двумя соседними положениями ротор проворачивается от предыдущего к следующему скоммутированному состоянию. Когда ротор достигает данного конечного положения, должно происходить следующее переключение и ротор будет стремиться к новому заданному положению, так чтобы его вектор магнитного поля стал сонаправлен с вектором электромагнитного поля статора.

        Рисунок 13. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с одной парой полюсов.

В двигателях с N парами полюсов необходимо пройти N электрических периодов для полного механического оборота.

Двигатель с двумя парами полюсов будет иметь два магнита с полюсами S и N, и 6 обмоток (рисунок 14). Каждая группа из 3 обмотки смещены друг относительно друга на 120 электрических градусов.

        Рисунок 14. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с двумя парами полюсов.

Определение положения ротора бесколлекторного двигателя

Как было сказано ранее для работы двигателя необходимо в нужные моменты времени подключать напряжение на нужные обмотки статора. Подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора, так чтобы магнитное поле статора всегда опережало магнитное поле ротора. Для определения положения ротора двигателя и коммутаций обмоток используют электронный блок управления.

Отслеживание положения ротора возможно несколькими способами:

      1. По датчикам Холла

      2. По обратной ЭДС

Как правило, датчиками Холла производители оснащают двигатель при выпуске, поэтому это самый распространённый метод управления.

Коммутирование обмоток в соответствии с сигналами обратной ЭДС позволяет отказаться от датчиков встроенных в двигатель и использовать в качестве датчика анализ свободной фазы двигателя, на которую будет наводиться магнитным полем противо-ЭДС.

Управление бесколлекторным двигателем с датчиками Холла

Чтобы коммутировать обмотки в нужные моменты времени необходимо отслеживать положение ротора в электрических градусах. Для этого применяются датчики Холла.

Поскольку имеется 6 состояний вектора магнитного поля необходимо 3 датчика Холла, которые будут представлять один абсолютный датчик положения с трехбитным выходом. Датчики Холла устанавливаются также как обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов. Это позволяет использовать магниты ротора в качестве воздействующего элемента датчика.

                                Рисунок 15. Сигналы с датчиков Холла за один электрический оборот двигателя.

Для вращения двигателя необходимо чтобы магнитное поле статора опережало магнитное поле ротора, положение, когда вектор магнитного поля ротора сонаправлен с вектором магнитного поля статора является конечным для данной коммутации, именно в этот момент должно происходить переключение на следующую комбинацию, чтобы не давать ротору зависать в стационарном положении.

Cопоставим сигналы с датчиков Холла с комбинацией фаз которые необходимо скоммутировать (таблица 2)

 Таблица 2. Сопоставление сигналов датчиков Холла с коммутацией фаз двигателя.

При равномерном вращении двигателя с датчиков поступает сигнал смещенный на 1/6 периода, 60 электрических градусов (рисунок 16).
                                                        Рисунок 16. Вид сигнала с датчиков Холла.

Управление с помощью сигнала обратной ЭДС

Существуют бесколлекторный двигатели без датчиков положения. Определение положения ротора осуществляется с помощью анализа сигнала ЭДС на свободной фазе двигателя. В каждый момент времени к одной из фаз подключен «+» к другой «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, магнитное поле ротора наводит ЭДС в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе изменяется (рисунок 17).

                                                 Рисунок 17. Изменение напряжения на фазе двигателя.

Сигнал с обмотки двигателя разбит на 4 момента:

   1. Обмотка подключена к 0

   2. Обмотка не подключена (свободная фаза)

   3. Обмотка подключена к питающему напряжению

   4. Обмотка не подключена (свободная фаза)

Сопоставив сигнал с фаз с управляющим сигналом, видно, что момент перехода на следующее состояние можно детектировать пересечением средней точки (половины питающего напряжения) с фазой, которая в данный момент не подключена (рисунок 18).

                            Рисунок 18. Сопоставление управляющего сигнала с сигналом на фазах двигателя.

После детектирования пересечения необходимо выдержать паузу и включать следующее состояние. По данному рисунку составлен алгоритм переключений состояний обмоток (таблица 3).

 Таблица 3. Алгоритм переключения обмоток двигателя

Пересечение средней точки проще всего детектировать компаратором, на один вход компаратора подается напряжение средней точки, а на второй текущее напряжение фазы.
                                            Рисунок 19. Детектирование средней точки компаратором.

Компаратор срабатывает в момент перехода напряжения через среднюю точку и генерирует сигнал для микроконтроллера.

Обработка сигнала с фаз двигателя

Однако сигнал с фаз при регулировании скорости ШИМ отличается видом, и имеет импульсный характер (рисунок 21), в таком сигнале невозможно детектировать пересечение со средней точкой.

                                        Рисунок 20. Вид сигнала фазы при регулировании скорости ШИМ.

Поэтому данный сигнал следует отфильтровать RC фильтром чтобы получить огибающую, а так же разделить под требования компаратора. По мере увеличения скважности шим сигнал будет возрастать по амплитуде (рисунок 22).

                                                   Рисунок 21. Схема делителя и фильтра сигнала с фазы двигателя.
                                            Рисунок 22. Огибающая сигнала при изменении скважности ШИМ.

Схема со средней точкой

                                                      Рисунок 23. Вид виртуальная средней точки. Картинка взята с avislab.com/

С фаз снимаются сигналы через токограничительные резисторы и объединяются, получается вот такая картина:

                                          Рисунок 24. Вид осциллограммы напряжения виртуальной средней точки.

Из-за ШИМ, напряжение средней точки не постоянно, сигнал так же необходимо фильтровать. Напряжение средней точки после сглаживания будет достаточно большим (в районе питающего напряжения двигателя), его необходимо разделить делителем напряжения до значения половины питающего напряжения.

После прохождения сигнала через фильтр колебания сглаживается и получается ровное напряжение относительно которого можно детектировать пересечение обратной ЭДС.

                                       Рисунок 26. Напряжение после делителя и фильтра низких частот.

Средняя точка будет менять свое значение в зависимости от напряжения (скважности ШИМ), так же как и огибающая сигнала.

                               

Полученные сигналы с компараторов заводятся на микроконтроллер, который их обрабатывает по алгоритму выше.

Пока на этом все.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Устройство бесколлекторного двигателя. — Avislab

Общее устройство (Inrunner, Outrunner)

Бесколлекторный двигатель постоянного тока состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Различают два типа двигателей: Inrunner, у которых магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, и Outrunner, у которых магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками.

Схему Inrunner обычно применяют для высокооборотистых двигателей с небольшим количеством полюсов. Outrunner при необходимости получить высокомоментный двигатель со сравнительно небольшими оборотами. Конструктивно Inrunners проще из за того, что неподвижный статор может служить корпусом. К нему могут быть смонтированы крепежные приспособления. В случае Outrunners вращается вся внешняя часть. Крепеж двигателя осуществляется за неподвижную ось либо детали статора. В случае мотор-колеса крепление осуществляется за неподвижную ось статора, провода заводятся к статору через полую ось.

Магниты и полюса

Количество полюсов на роторе четное. Форма применяемых магнитов обычно прямоугольная. Цилиндрические магниты применяются реже. Устанавливаются они с чередованием полюсов.

Количество магнитов не всегда соответствует количеству полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс:

В этом случае 8 магнитов формируют 4 полюса. Размер магнитов зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу.

Магниты на роторе закрепляются с помощью специального клея. Реже встречаются конструкции с держателем магнитов. Материал ротора может быть магнитопроводящим (стальным), немагнитопроводящим (алюминиевые сплавы, пластики и т.п.), комбинированным.

Обмотки и зубья

Обмотка трехфазного бесколлекторного двигателя выполняется медным проводом. Провод может быть одножильным или состоять из нескольких изолированных жил. Статор выполняется из нескольких сложенных вместе листов магнитопроводящей стали.

Количество зубьев статора должно делиться на количество фаз. т.е. для трехфазного бесколлекторного двигателя количество зубьев статора должно делиться на 3. Количество зубьев статора может быть как больше так и меньше количества полюсов на роторе. Например существуют моторы со схемами: 9 зубьев/12 магнитов; 51 зуб/46 магнитов.

Двигателя с 3-х зубым статором применяют крайне редко. Поскольку в каждый момент времени работает только две фазы (при включении звездой), магнитные силы воздействуют на ротор не равномерно по всей окружности (см. рис.).

Силы, воздействующие на ротор, стараются его перекосить, что приводит к увеличению вибраций. Для устранения этого эффекта статор делают с большим количеством зубьев, а обмотку распределяют по зубьям всей окружности статора как можно равномернее.

В этом случае магнитные силы, воздействующие на ротор, компенсируют друг друга. Дисбаланса не возникает.

Варианты распределения обмоток фаз по зубьям статора

Вариант обмотки на 9 зубов

Вариант обмотки на 12 зубов

В приведенных схемах число зубов выбрано таким образом, чтобы оно делилось не только на 3. Например, при 36 зубьях приходится 12 зубьев на одну фазу. 12 зубьев можно распределить так:

6 групп по 2 зуба

4 группы по 3 зуба

3 группы по 4 зуба

2 группы по 6 зубьев

Наиболее предпочтительна схема 6 групп по 2 зуба.

Существует двигатель с 51 зубом на статоре! 17 зубов на одну фазу. 17 — это простое число, оно нацело делится только на 1 и на само себя. Как же распределить обмотку по зубьям? Увы, но я не смог найти в литературе примеров и методик, которые помогли бы решить эту задачу. Оказалось, что обмотка распределялась следующим образом:

Рассмотрим реальную схему обмотки.

Обратите внимание, что обмотка имеет разные направления намотки на разных зубьях. Разные направления намотки обозначаются прописными и заглавными буквами. Детально о проектировании обмоток можно прочитать в литературе, предложенной в конце статьи.

Классическая обмотка выполняется одним проводом для одной фазы. Т.е. все обмотки на зубьях одной фазы соединены последовательно.

Обмотки зубьев могут соединяться и параллельно.

Так же могут быть комбинированные включения

Параллельное и комбинированное включение позволяет уменьшить индуктивность обмотки, что приводит к увеличению тока статора (следовательно и мощности) и скорости вращения двигателя.

Обороты электрические и реальные

Если ротор двигателя имеет два полюса, то при одном полном обороте магнитного поля на статоре, ротор совершает один полный оборот. При 4 полюсах, чтобы повернуть вал двигателя на один полный оборот потребуется два оборота магнитного поля на статоре. Чем больше количество полюсов ротора, тем больше потребуется электрических оборотов для вращения вала двигателя на один оборот. Например, имеем 42 магнита на роторе. Для того чтобы провернуть ротор на один оборот, потребуется 42/2=21 электрический оборот. Это свойство можно использовать как своеобразный редуктор. Подобрав необходимое количество полюсов, можно получить двигатель с желаемыми скоростными характеристиками. Кроме того, понимание этого процесса будет нам необходимо в будущем, при выборе параметров регулятора.

Датчики положения

Устройство двигателей без датчиков отличается от двигателей с датчиками только отсутствием последних. Других принципиальных отличий нет. Наиболее распространены датчики положения, работающие на основе эффекта Холла. Датчики реагируют на магнитное поле, их располагают, как правило, на статоре таким образом, чтобы на них воздействовали магниты ротора. Угол между датчиками должен быть 120 градусов.

Имеется в виду «электрических» градусов. Т.е. для многополюсного двигателя физическое расположение датчиков может быть таким:

Управление трехфазным бесщеточным двигателем постоянного тока с Arduino — Часть 1. Теория

Типичный двигатель BLDC шпинделя CD / DVD с 12 магнитными полюсами и 9 зубчатыми колесами

Это первая часть того, что, вероятно, будет двумя (или более) сообщениями, описывающими один из моих последних проектов — стробоскоп Arduino, основанный на шпиндельном двигателе сломанного DVD-привода Xbox 360. Я сохраню некоторую практическую информацию (например, почему я выбрал диск Xbox) для второго поста. Здесь я хотел сосредоточиться на теории, лежащей в основе использования Arduino или другого микроконтроллера для управления трехфазным бесщеточным электродвигателем постоянного тока, например, шпиндельным двигателем привода компакт-дисков или DVD-дисков (или жесткого диска, если на то пошло), такого как тот, который изображен далее в тексте. .

Бесщеточный двигатель постоянного тока для CD / DVD в разобранном виде

{adinserter Internal_right} На схеме выше, а также на фотографии слева показана типичная конструкция двигателя шпинделя привода CD / DVD с 9 зубьями и 12 магнитными полюсами. Основным принципом приведения в действие такого двигателя является определенная последовательность коммутации обмоток статора, которая создает несколько точек, в которых обмотки притягивают противоположные магнитные полюса ротора с максимальной силой. Посмотрев на анимацию ниже, вы увидите, что эта конкретная конфигурация двигателя BLDC (12 полюсов, 9 зубцов) создает три точки максимального притяжения на каждом из 36 шагов, составляющих одно полное вращение.Эти три точки перемещаются из-за последовательности коммутации, и это изменение направления магнитного поля «тянет» за собой полюса ротора.

Возможно, будет немного проще наблюдать за движением магнитного поля в следующей анимации. Анимацию можно приостановить на любом шаге, и вы можете перейти прямо к нужному шагу, если наведете указатель мыши на номер шага в меню навигации. Давай, играй с этим! Мы будем здесь, когда вы вернетесь 🙂 Пока вы это делаете, посмотрите, сможете ли вы определить эти три точки с максимальной силой притяжения на каждом шагу.Они всегда в разных местах, но всегда там.

Южные полюса отмечены КРАСНЫМ цветом, а северные — СИНИМ. Полюса имеют такую ​​маркировку в соответствии с общепринятым соглашением об именах. Направление магнитной силы определяется правилом правой руки: если ладонь правой руки следует за направлением тока (т. Е. Огибает винтик, как и провод, ток течет от ВЫСОКОГО к НИЗКОМУ), большой палец указывает в направление магнитного поля.Точка, откуда берутся силовые линии магнитного поля, называется СЕВЕР, а большой палец указывает на ЮГ.

Точки, в которых красная точка на обмотке соответствует синему полюсу ротора, являются точками максимального притяжения.

Анимация выше была сделана на основе нескольких предположений. Одно из них, конечно же, конфигурация двигателя — 12 полюсов, 9 зубцов. Другой заключается в том, что для управления двигателем используется минимально возможное количество выходов MCU, а схема драйвера является самой простой.Я собираюсь сохранить схему для другого поста, но здесь достаточно сказать, что самая простая реализация с точки зрения аппаратного обеспечения требует, чтобы мы управляли обмоткой либо ВЫСОКИМ, либо НИЗКИМ. Для этого требуется всего три цифровых контакта ввода / вывода и очень распространенная ИС H-моста, такая как SN754410 . Есть и другая возможность: мы управляем только двумя обмотками за раз, а третью оставляем открытой, чтобы через нее не протекал ток и не генерировалась магнитная сила, но для этого необходимо использовать 6 контактов ввода / вывода и 6 дискретных транзисторов.Преимущество 6-контактной схемы — лучшая эффективность и крутящий момент из-за отсутствия вторичных, меньших магнитных сил, тянущих в неправильном направлении.

Подсчет полюсов ротора BLDC с использованием железной стружки на листе бумаги

Между прочим, может быть не очевидно, что ротор намагничен так, как он есть, с 12 полюсами, но, используя старый трюк класса физики с железной стружкой, все становится намного понятнее. К сожалению, для этого требуется разборка двигателя, но если вы будете осторожны, вы легко сможете собрать его обратно — кожух постоянного магнита запрессован на ось, которая выступает из шарикоподшипника в середине статора.Если вы сняли его осторожно, вы всегда можете вернуть его в обратном порядке.
Не все двигатели BLDC имеют 12-полюсные роторы, и не все статоры имеют 9 зубцов, поэтому можно поискать соответствующую документацию или даже открыть двигатель, если менее интрузивные методы недоступны. Например, шпиндельные двигатели жестких дисков часто имеют 12 зубцов. Однако для относительно недавнего (~ 10 лет или меньше) шпиндельного двигателя для CD / DVD / Bluray вполне безопасно предположить, что 9 шестерен / 12 полюсов. Это будет важная информация, когда мы обратимся к реализации аппаратного и микропрограммного обеспечения на основе Arduino.Смотрите следующий выпуск этого мини-сериала!

Благодарности:
Чтобы продолжить обучение по BLDC и узнать о BLDC больше, чем вы когда-либо хотели, отправляйтесь прямо к серии статей Брайана Малдера Electric Motors, часть 1-5 на веб-сайте Southern Soaring Club

Особая благодарность Майку Алсупу (malsup) за создание плагина JQuery Cycle, используемого в анимации

.

Трехфазные асинхронные двигатели — Управление двигателями переменного тока и приводы

Трехфазный асинхронный двигатель использует ток, подаваемый по трем фазам последовательно в катушки статора, для создания вращающегося магнитного поля. Это индуцирует электрическое поле в катушке или беличьей клетке для вращения ротора. Разница в скорости ротора, синхронной скорости и вращающегося магнитного поля называется скольжением.

Мы предлагаем полный спектр силовых полупроводников и ИС, включая дискретные IGBT и силовые MOSFET, а также силовые модули и интеллектуальные силовые модули (IPM), высоковольтные драйверы затвора и мощные микроконтроллеры STM32, необходимые для реализации высокоэффективного преобразователя частоты ( VFD) управление двигателем.

Чтобы сократить и упростить цикл проектирования, мы предлагаем полную экосистему оборудования, оценочных плат и эталонных проектов, а также библиотеки микропрограмм и программного обеспечения.

Принципы работы трехфазного асинхронного двигателя

В трехфазном асинхронном двигателе имеется три обмотки статора , каждая обычно разделенная на две половины, при этом обмотка ротора закорочена концевыми кольцами. Когда ток проходит через катушки на противоположных сторонах статора, устанавливается двухполюсный электромагнит, создавая двухполюсный двигатель.Применение фазы к каждому из электромагнитов по очереди создает вращающееся магнитное поле, достаточно сильное, чтобы начать движение ротора.

Чем больше обмоток, тем больше полюсов в двигателе, при этом требуется более сложное управление, но с большей точностью позиционирование ротора. Четырехполюсный двигатель считается оптимальным для крутящего момента и отзывчивости, необходимых, например, для моторных приводов электромобилей. Но более высокое число полюсов возможно только при более сложных схемах управления.

Типичный привод имеет три полумоста , каждый из которых подает синусоидальное напряжение на статор. Здесь используются силовые полевые МОП-транзисторы или IGBT с высоковольтными драйверами затвора или силовые модули, объединяющие три полумоста и соответствующие приводы затвора. Они могут использовать скалярные алгоритмы, которые изменяют напряжение для определения частоты фаз или вольт / герц. Более сложные алгоритмы, такие как векторное управление или полевое управление (FOC), используются для управления частотой нескольких фаз в высокопроизводительных двигателях, которые в настоящее время становятся все более популярными в диапазоне трехфазных асинхронных двигателей.

Многофазные двигатели обычно включают трехфазные двигатели, использующие несколько полюсов.

Контроллеры самозапуска и плавного пуска

Контроллер плавного пуска используется в трехфазных асинхронных двигателях переменного тока для уменьшения нагрузки на самозапускающийся двигатель и скачков тока двигателя во время пуска. Этот снижает механическое напряжение на двигателе и валу, а также электродинамические напряжения на подключенных силовых кабелях и электрической распределительной сети, продлевая срок службы системы.

Асинхронные двигатели могут иметь пусковые токи в семь-десять раз больше рабочего тока. Пусковой крутящий момент может быть в 3 раза выше, чтобы преодолеть условия запуска, вызывающие механическую нагрузку на компоненты двигателя. Таким образом, в электронных устройствах плавного пуска используется система управления для уменьшения крутящего момента путем временного снижения входного напряжения или тока до тех пор, пока асинхронный двигатель не достигнет своей синхронной скорости.

Цифровой контроллер плавного пуска непрерывно контролирует напряжение во время пуска, подстраиваясь под нагрузку двигателя, чтобы обеспечить плавное ускорение и контроль скорости.Часто это делается с помощью подключенных кремниевых выпрямителей (тиристоров), управляющих каждой фазой отдельно для обеспечения оптимального управления.

Прямое управление крутящим моментом

Крутящий момент, создаваемый в роторе трехфазного асинхронного двигателя, пропорционален магнитному потоку, создаваемому каждым полюсом статора, току ротора и коэффициенту мощности ротора. Прямое управление крутящим моментом (DTC) — это метод, используемый в частотно-регулируемых приводах. Это происходит из оценки магнитного потока по напряжению и току двигателя.Это сравнивается с эталонным значением для управления крутящим моментом.

Это позволяет быстро изменять магнитный поток и крутящий момент путем изменения опорных значений, что делает двигатель более эффективным. и сокращают потери мощности. , поскольку используется только точный ток. Это также позволяет избежать перерегулирования ротора, обеспечивая более точное управление двигателем.

Диагностика неисправностей

Трехфазные асинхронные двигатели являются ключевой частью почти каждого производственного процесса .Таким образом, существует множество методов обнаружения неисправностей и диагностики , чтобы убедиться, что двигатели поддерживают работу производственных линий .

Однако, несмотря на высокий уровень надежности этих двигателей, большинство методов требует большого опыта для успешного применения, учитывая напряжение, ток, вибрацию или тепловой профиль. Необходимы более простые подходы, чтобы любой оператор линии мог принимать надежные решения. А производители двигателей хотят уменьшить количество датчиков в двигателе, поскольку они могут выйти из строя и вызвать проблемы с надежностью.

Неисправности ротора могут возникать во время производства в виде небольших неисправностей или могут быть результатом производственных неисправностей или механического, экологического, электромагнитного или теплового давления на ротор во время работы двигателя. Даже если сначала эти неисправности незначительны, неисправности со временем растут, а сломанный или треснувший ротор может вызвать выход из строя соседних компонентов из-за повышенных токов и термической активности.

Машинное обучение все чаще используется для мониторинга производительности двигателей, сравнения шаблонов различных типов данных, используемых в системах управления, для прогнозирования любого потенциального отказа.

Блок-схема: управление трехфазным асинхронным двигателем

.

Реализует модель трехфазного инвертора для приводов двигателей переменного тока

.

Реализация двухквадрантного трехфазного выпрямителя постоянного тока

Реализовать двухквадрантный трехфазный выпрямительный привод постоянного тока

Библиотека

Simscape / Электрические / специализированные системы питания / электрические приводы / приводы постоянного тока

Описание

Двухквадрантный трехфазный выпрямительный привод постоянного тока ( DC3) представляет собой
двухквадрантный, трехфазный, тиристорный (или управляемый по фазе) привод для двигателей постоянного тока.Этот диск
имеет двухквадрантное регулирование скорости с обратной связью. Выходы контура регулирования скорости
эталонный ток якоря машины. Используя ПИ-регулятор тока, тиристор
Определен угол зажигания, соответствующий заданному току якоря. Этот угол стрельбы
затем используется для получения требуемых сигналов затвора выпрямителя через тиристорный мост.
стреляющий блок.

Основным преимуществом данного привода по сравнению с другими приводами постоянного тока является его исполнение.
простота.Однако для всех двухквадрантных приводов постоянного тока реверсивные и рекуперативные операции
(обратный двигатель и прямая регенерация), которые требуются в большинстве приводов постоянного тока, не могут быть
получено.

Примечание

В Simscape ™
Программное обеспечение Electrical ™ Specialized Power Systems, двухквадрантный трехфазный выпрямитель
Блок привода постоянного тока обычно называют моторным приводом DC3 .

Блок двухквадрантного трехфазного выпрямителя постоянного тока использует эти блоки из
библиотека электрических приводов / основных приводных блоков:

• Регулятор скорости (пост. ток)

• Регулирующий переключатель

• Регулятор тока (пост. Машина возбуждается отдельно от источника постоянного напряжения поля постоянного тока.Таким образом, нет
  контроль полевого напряжения. По умолчанию ток возбуждения устанавливается на его установившееся значение, когда
  симуляция запущена.

  Напряжение якоря обеспечивается трехфазным выпрямителем, управляемым двумя ПИ.
  регуляторы. Колебания тока якоря уменьшаются сглаживающей индуктивностью, включенной в
  последовательно со схемой якоря.

  Преобразователь среднего значения представляет собой среднее поведение трехфазного выпрямителя для
  постоянный ток якоря.Таким образом, эта модель не подходит для моделирования приводов постоянного тока в условиях
  прерывистый режим тока якоря. Преобразователь выдает непрерывное значение напряжения.
  равным среднему значению реального выпрямленного напряжения. Напряжение якоря, якорь
  пульсации тока и электромагнитного момента, таким образом, не отображаются. Входные токи имеют
  частота и амплитуда основной составляющей тока реального входа
  токи.

  Модель дискретная. Хорошие результаты моделирования были получены с шагом по времени 20 мкс.Система управления (контроллеры скорости и тока) производит выборку данных по заданной пользователем выборке.
  время для моделирования устройства цифрового контроллера. Имейте в виду, что это время выборки
  быть кратным временному шагу моделирования.

  Конвертер среднего значения позволяет использовать большие временные шаги моделирования, поскольку
  не генерировать малых постоянных времени (из-за демпферов RC), присущих детализированному преобразователю.
  При времени выборки контроллера 100 мкс хорошие результаты моделирования были получены для
  шаг по времени моделирования 100 мкс.Этот временной шаг не может быть больше, чем время контроллера.
  шаг.

  Параметры

  Общие

  Режим выходной шины

  Выберите способ организации выходных переменных. Если вы выберете Multiple
выходные шины , блок имеет три отдельные выходные шины для двигателя, преобразователя,
  и переменные контроллера. Если вы выберете Одна выходная шина , все
  вывод переменных на единую шину.

  Уровень детализации модели

  Выберите между детальным инвертором и инвертором среднего значения.По умолчанию
  Детальный .

  Механический вход

  Выберите между крутящим моментом нагрузки, скоростью двигателя и механическим портом вращения, как
  механический ввод. По умолчанию Torque Tm .

  Если вы выбираете и применяете крутящий момент нагрузки, выходом будет скорость двигателя в соответствии с
  следующее дифференциальное уравнение, описывающее динамику механической системы:

  Эта механическая система включена в модель двигателя.

  Если вы выберете скорость двигателя в качестве механического входа, вы получите электромагнитный
  крутящий момент как выходной, что позволяет вам представить динамику механической системы извне. В
  внутренняя механическая система не используется с этим выбором механического входа и инерцией
  и параметры вязкого трения не отображаются.

  Для механического вращающегося порта порт подключения S считается механическим.
  ввод и вывод. Это позволяет напрямую подключаться к среде Simscape.Механическая система двигателя также включена в привод.
  и основан на том же дифференциальном уравнении.

  См. Механическое соединение двух моторных приводов.

  Использовать имена сигналов в качестве меток

  Если вы установите этот флажок, Motor , Conv ,
  и Ctrl измерительные выходы используют имена сигналов для идентификации шины
  этикетки. Выберите этот вариант для приложений, в которых на этикетках сигналов шины должны быть только
  буквенно-цифровые символы.

  Когда этот флажок снят (по умолчанию), выход измерения использует сигнал
  определение для идентификации меток шины. Этикетки содержат не буквенно-цифровые символы, которые
  несовместимы с некоторыми приложениями Simulink ^® .

  Вкладка DC Machine

  Вкладка DC Machine отображает параметры DC
  Машинный блок библиотеки Fundamental Blocks (powerlib).

  Вкладка преобразователя

  Секция выпрямителя

  Секция выпрямителя вкладки Преобразователя
  отображает параметры блока Universal Bridge Fundamental Blocks
  (powerlib) библиотека.Для получения дополнительной информации о параметрах тиристорного преобразователя см.
  Справочная страница Universal Bridge.

  Секция шины постоянного тока и цепи возбуждения

  Сглаживающая индуктивность

  Значение сглаживающей индуктивности (H). По умолчанию - 50e-3 .

  Полевой источник постоянного тока

  Значение напряжения возбуждения двигателя постоянного тока (В). По умолчанию 150 .

  Секция внешнего источника напряжения

  Среднеквадратичное межфазное напряжение

  Среднеквадратичное межфазное напряжение трехфазного источника напряжения, подключенного к A, B, C
  клеммы привода (V).Этот параметр не используется при использовании детального выпрямителя.
  По умолчанию 220 .

  Частота

  Частота трехфазного источника напряжения, подключенного к клеммам A, B, C
  привод (Гц). Этот параметр не используется при использовании детального выпрямителя. По умолчанию
  50 .

  Индуктивность источника

  Индуктивность источника трехфазного источника напряжения, подключенного к клеммам A, B, C
  привода (H).Этот параметр не используется при использовании детального выпрямителя. По умолчанию
  1e-6 .

  Фазовый угол фазы A

  Фазовый угол фазы A трехфазного источника напряжения, подключенного к A, B, C
  клеммы привода (град.). Этот параметр не используется при использовании детального выпрямителя.
  По умолчанию 0 .

  Вкладка «Контроллер»

  Тип регулирования

  Это всплывающее меню позволяет выбирать между регулировкой скорости и крутящего момента.По умолчанию
  Регулировка скорости .

  Время выборки (с)

  Время выборки контроллера (скорости и тока) (с). Время выборки должно быть
  кратный временному шагу моделирования. По умолчанию - 100e-6 .

  Схема

  Когда вы нажимаете эту кнопку, появляется диаграмма, показывающая регуляторы скорости и тока
  схемы появляется.

  Контроллер - дополнительная вкладка «Контроллер скорости»

  Номинальная скорость

  Номинальное значение скорости двигателя постоянного тока (об / мин).Это значение используется для преобразования двигателя
  скорость от об / мин до о.у. (на единицу). По умолчанию 1750 .

  Исходное задание скорости

  Начальное задание скорости (об / мин). Это значение позволяет пользователю запустить
  моделирование с заданием скорости, отличным от 0 об / мин. По умолчанию
  0 .

  Частота среза фильтра нижних частот

  Частота среза фильтра нижних частот, используемого для фильтрации измерения скорости двигателя
  (Гц).По умолчанию 40 .

  Пропорциональное усиление

  Пропорциональное усиление ПИ-регулятора скорости. По умолчанию
  80 .

  Интегральное усиление

  Интегральное усиление ПИ-регулятора скорости. По умолчанию
  200 .

  Ускорение

  Максимальное изменение скорости, допустимое во время разгона двигателя (об / мин / с). Слишком велика
  значение может вызвать перегрузку по току якоря.По умолчанию: 250 .

  Deceleration

  Максимальное изменение скорости, допустимое во время замедления двигателя (об / мин / с). Слишком велика
  значение может вызвать перегрузку по току якоря. По умолчанию -250 .

  Контроллер - Подкладка «Контроллер тока»

  Частота среза фильтра нижних частот

  Частота среза фильтра нижних частот, используемого для фильтрации тока якоря
  измерение (Гц).По умолчанию 50 .

  Предел задания

  Максимальное эталонное значение тока (pu). 1,5 о.е. - обычное значение. По умолчанию
  1,5 .

  Номинальные значения мощности и напряжения

  Значения номинальной мощности (Вт) и напряжения (В) двигателя постоянного тока. Эти значения используются для
  преобразовать ток якоря из ампер в о.е. (на единицу). По умолчанию для
  Мощность - это 5 * 746 .По умолчанию для
  Напряжение - это 240 .

  Пропорциональное усиление

  Пропорциональное усиление ПИ-регулятора тока. По умолчанию
  1 .

  Интегральное усиление

  Интегральное усиление ПИ-регулятора тока. По умолчанию
  80 .

  Контроллер - подвкладка мостового запального устройства

  Alpha min

  Минимальное значение угла зажигания (град.). 20 градусов - обычное значение. По умолчанию
  20 .

  Alpha max

  Максимальное значение угла открытия (град.). 160 градусов - обычное значение. По умолчанию
  160 .

  Частота синхронизирующих напряжений

  Частота синхронизирующих напряжений, используемых дискретными синхронизированными 6-импульсными
  блок генератора (Гц). Эта частота равна частоте сети трехфазного
  линия электропередачи.Этот параметр не используется при использовании преобразователя среднего значения. По умолчанию
  50 .

  Ширина импульса

  Ширина импульсов, подаваемых на шесть тиристорных вентилей (град.). Этот параметр
  не используется при использовании преобразователя среднего значения. По умолчанию 10 .

  Блок входов и выходов

  SP

  Уставка скорости или крутящего момента. Заданное значение скорости может быть ступенчатой ​​функцией, но скорость
  скорость изменения будет соответствовать рампе ускорения / замедления.Если момент нагрузки и
  скорости имеют противоположные знаки, ускоряющий момент будет суммой электромагнитного и
  моменты нагрузки.

  Tm или Wm

  Механический вход: момент нагрузки (Tm) или скорость двигателя (Wm). Для механического
  ротационный порт (S), этот ввод удаляется.

  A, B, C

  Трехфазные электрические соединения. Напряжение должно соответствовать двигателю.
  размер.

  Wm , Te или S

  Механическая мощность: скорость двигателя (Wm), электромагнитный момент (Te) или механический
  ротационный порт (S).

  Когда для параметра Output bus mode установлено значение Multiple
  выходные шины , блок имеет следующие три выходные шины:

  Двигатель

  Вектор измерения двигателя. Этот вектор состоит из двух элементов:

  • Напряжение якоря

  • Вектор измерения двигателя постоянного тока (содержащий скорость, ток якоря, поле
    значения тока и электромагнитного момента).Обратите внимание, что сигнал скорости преобразуется из
    рад / с до об / мин перед выводом.

  Conv

  Вектор измерения трехфазного преобразователя. Он включает выходное напряжение преобразователя.
  Выходной ток не учитывается, поскольку он равен току якоря двигателя постоянного тока. Запись
  что все значения тока и напряжения детализированного выпрямительного моста могут быть визуализированы с помощью
  блок мультиметра.

  Ctrl

  Вектор измерения контроллера.Этот вектор содержит:

  • Якорь опорного тока

  • Угол стрельбы вычисляется с помощью регулятора тока

  • Скорости или ошибки крутящего момента (разница между опорной скоростью рампой и фактической
    скорости или между заданием крутящего момента и фактическим крутящим моментом)

  • Заданное значение скорости или задание крутящего момента

  Когда для параметра Режим выходной шины установлено значение Одинарный
  выходная шина , блок группирует выходы Motor, Conv и Ctrl в одну шину
  выход.

  Технические характеристики модели

  Библиотека содержит набор параметров привода мощностью 5 и 200 л.с. Характеристики этих
  два диска показаны в следующей таблице.

  Характеристики привода 5 л.с. и 200 л.с.

  0

  		Привод 5 л.с.	Привод 200 л.с.
  	Амплитуда	220 В	460 В
  	9057 9057 Гц Номинальные характеристики двигателя
  	Мощность	5 л.с.	200 л.с.	200 л.с.	1750 об / мин
  	Напряжение	240 В	500 В

  Примеры

  dc3_example иллюстрирует трехфазный выпрямительный привод, используемый с
параметр привода 200 л.с., установленный во время регулирования крутящего момента.

  Каталожные номера

  [1] Sen, P.C., Тиристорные приводы постоянного тока , J.Wiley
and Sons, 1981.

  [2] Nondahl, Thomas A., Микропроцессорное управление двигателем.
Приводы и преобразователи мощности , учебный курс , IEEE Industry
Application Society, октябрь 1993 г., стр. 7.1-7.26.

  Введено в R2006a

  .