Раздел 5. Вентильные двигатели (стр. 3 )

Силовая часть инвертора выполняется на силовых полупроводниковых приборах:

–  на транзисторах (в случае малых и средних мощностей – до десятков киловатт, до нескольких десятков ампер [4]);

–  на тиристорах (для средних и больших мощностей – от десятков до тысяч киловатт. Долгое время только они и мог применяться при больших мощностях [25]);

–  на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором - IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), рассчитанных на токи до нескольких килоампер, напряжение до нескольких киловольт и имеющих частоту коммутации 30 кГц и выше [26].

Транзисторы или тиристоры работают в ключевом режиме, характеризующемся двумя устойчивыми положениями – открытым для прохождения тока или закрытым. Переход из одного положения в другое происходит в зависимости от пространственного положения ротора или сигналов с других датчиков.

Для обеспечения симметричности загрузки m-фазной ОЯ, повторяемости процессов и нормальной работы ключей инвертора необходимо, чтобы фазовый сдвиг между управляющими сигналами ключей анодной (верхней) и катодной (нижней) группы инвертора был равен 2π/m, а фазовый сдвиг между управляющими сигналами ключей одной стойки был равен π [10].

Распространенными вариантами работы ключей инвертора трехфазного ВД является два:

1) 120 – градусная коммутация, то есть в пределах периода (360 градусов) каждый ключ работает 120 градусов.

2) 180-градусная (синусная коммутация).

Время открытого состояния ключа не остается неизменным в течение полупериода выходной частоты, а изменяется по синусоидальному закону (рис. 5а).

На вход компаратора подается сигнал несущей синусоиды и сигнал пилообразного напряжения. В приведенном примере, транзистор будет включен, когда значение напряжения несущей синусоиды будет превышать значение пилообразного напряжения (рис. 5а).

а)	б)
Рис. 5. Формирование синусоидального напряжения при ШИМе

5.9. Датчик положения ротора (ДПР)

В иностранной литературе - Shaft Position Sensor, Shaft Encoder [15].

ДПР является элементом позиционной обратной связи. ДПР предназначен для создания сигналов, несущих информацию об относительном положении осей полюсов ротора и осей фаз статорных обмоток двигателя. Для трехфазной обмотки эти углы равны a, a-120, a-240, где угол a определяется текущим положением ротора.

Сигнал с ДПР служит для управления подключением тех фаз электродвигателя, которые создадут максимальный момент при взаимодействии с полюсами ротора.

Датчик располагается в корпусе электромеханической части двигателя, но схемно связан с коммутатором.

5.9.1 Требования, предъявляемые к ДПР:

1) Простота конструкции, технологичность в изготовлении, надежность в работе.

2) Должен иметь малые размеры. Размеры датчика не должны превосходить размеров щеточно-коллекторного устройства [1].

3) Потребляемая энергия должна быть малой. Потребляемая мощность не должна превосходить потерь на щетках эквивалентных коллекторных машин [1].

4) Требования к форме сигнала. Хорошее согласование сигнала датчика с входными цепями инвертора. Большая кратность максимального и минимального выходного сигнала. Большая крутизна нарастания и спада сигнала. Чем в более полной степени выполняется требование 4, тем меньше усложнений придется предусматривать в схеме управления инвертором для обеспечения надежного и экономичного режима переключения ключей [1].

5) Высокая стойкость к внешним факторам окружающей среды. ДПР должен работать во всем диапазоне воздействий, которым подвергается электродвигатель: температура, свойства среды, вибрация [4].

6) Помехоустойчивость.

5.9.2. Устройство ДПР

ДПР состоит из двух основных элементов:

1) Сигнального (или управляющего) элемента (СЭ).

Сигнальный элемент (СЭ) связан с ротором двигателя.

2) Чувствительного элемента (ЧЭ).

Чувствительные элементы установлены на неподвижной части машины. Число чувствительных элементов в ДПР обычно равно числу фаз обмотки якоря двигателя. К чувствительным элементам подводится питающее напряжение.

Рис. 6. Составные части ДПР

При достижении СЭ определенного углового положения он входит во взаимодействие с чувствительным элементом, то есть бесконтактно воздействует на него энергией своего физического поля (магнитного, светового, электрического – в зависимости от типа сигнального и чувствительного элемента). В ЧЭ происходит преобразование этой энергии в электрический сигнал. Этот электрический сигнал поступает в систему управления инвертором и используются для управления коммутатором ВД.

5.9.3. Классификация ДПР.

По форме сигнала ДПР делятся на две группы:

1) дискретные;

2) аналоговые.

Дискретные ДПР выдают выходной сигнал одного уровня. Он имеет прямоугольную форму (стремятся получить такую) и имеет определенную длительность [15].

Аналоговые ДПР выдают сигнал, величина которого зависит от текущего углового положения ротора. Например, сигнал ДПР может изменяться в зависимости от угла по синусоидальному закону [15].

Также ДПР разделяются на группы по типу чувствительных элементов, преобразующих тот или иной вид энергии в изменение электрического или магнитного параметра.

В соответствии с этим признаком выделим три типа ДПР:

1) Фотоэлектрические (также их называют оптоэлектрическими и датчиками оптического типа [15]).

2) Индуктивные.

3) Гальваномагнитные.

5.9.4. Фотоэлектрические датчики

Используются в маломощных ВД.

Элементами фотодатчика являются:

- источник лучистой энергии (светодиод), расположенный на неподвижной части;

- приемник лучистой энергии - чувствительный элемент (фотоэлемент: фотодиод, фоторезистор, фототранзистор, фототиристор), расположенный на неподвижной части;

- модулятор потока лучистой энергии, расположенный на роторе.

Модулирование потока лучистой энергии может быть обеспечено:

--- при использовании тонкого диска с отверстиями или прорезями;

--- за счет покрытия облучаемой поверхности ротора отражающими и неотражающими излучение материалами.

То есть модулятор может работать на просвет, либо на отражение. Число импульсов определяет положение и скорость вращения ротора ВД.

Достоинства:

1) Источник лучистой энергии (светодиод) и приемник (фототранзистор) располагаются на неподвижной части.

2) Ротор (якорь) ДПР (в случае исполнения его в виде диска с прорезями) имеет минимальный момент инерции, что является важным при использовании ВД в качестве исполнительного двигателя [11].

3) Ротор прост по конструкции [15].

4) Ротор не создает никаких реактивных моментов, что важно для высокоточных приводов [15].

5) Датчики этого типа позволяют получить достаточно крутой фронт сигнала [15].

6) Компактность конструкции ДПР в многополюсных двигателях относительно большого диаметра. Это обеспечивается за счет расположения n чувствительных элементов на одной линии по радиусу и применения для каждого ЧЭ своей прорези на экране-якоре. Эти прорези должны иметь угловое смещение относительно друг друга, равное угловому сдвигу чувствительных элементов обычного датчика [15].

Недостатки:

1) невысокий КПД из-за двойного преобразования энергии (электрической в световую и обратно) [9].

2) низкий уровень выходного сигнала [15].

3) малая чувствительность, обуславливающая необходимость фокусировки луча с помощью оптических линз [9].

4) слабая помехозащищенность, вынуждающая применять специальные меры устранения размытости фронта сигнала; влияние других источников излучения [9].

5) ненадежность из-за возможности загрязнения поверхности элементов [15].

5.9.5. Индуктивные датчики

Принцип действия индуктивных датчиков основан на изменении индуктивного сопротивления:

xL=wL=wGw2, (9)

где w =2πf, L – индуктивность обмотки датчика, G – магнитная проводимость контура замыкания магнитного потока, w – число витков обмотки индуктивного датчика.

По виду ЧЭ разделяются на:

- дроссельные.

- трансформаторные.

Рассмотрим один вариант построения дроссельного индуктивного датчика, показывающий принцип действия датчиков такого типа (рис. 7).

Рис. 7. Схема индуктивного ДПР [15]

Основные элементы датчика: - дроссель насыщения, представляющий собой кольцевой сердечник с обмоткой, расположенный на неподвижной части двигателя [15]. В качестве сердечников ЧЭ применяются, как правило, ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса [11].

Обмотка чувствительного элемента запитывается переменным напряжением повышенной частоты (30-60 кГц), получаемым с выхода вторичного источника питания. Выпрямленный ток обмотки является током управления для тразистора, в цепь которого включена нагрузка. На цепочку коллекторно-эмиттерный переход транзистора – нагрузка подано постоянное напряжение [15].

- постоянные магниты, представляющие собой р секторов якоря ДПР, закрепленного на валу двигателя.

Когда магниты находятся от сердечника на удаленном расстоянии, он не насыщен и его обмотка обладает большим индуктивным сопротивлением (9). Ток в цепи практически отсутствует. Транзистор закрыт, выходное напряжение датчика равно нулю [15].

По мере приближения одного из постоянных магнитов по сердечнику дросселя замыкается все больший магнитный поток и сердечник насыщается. Индуктивное сопротивление обмотки существенно снизится, по цепи эмиттер-база пойдет ток и транзистор откроется [15].