Ventilový motor

Stejnosměrné stroje mají zpravidla vyšší technické a ekonomické ukazatele (linearita charakteristik, vysoká účinnost, malé rozměry atd.) než stroje na střídavý proud. Významnou nevýhodou je přítomnost kartáčového aparátu, který snižuje spolehlivost, zvyšuje moment setrvačnosti, vytváří rádiové rušení, nebezpečí výbuchu atd. Proto je přirozeně úkolem vytvořit bezkontaktní (bezkartáčový) stejnosměrný motor.

Řešení tohoto problému bylo možné s příchodem polovodičových zařízení. U bezkontaktního stejnosměrného motoru, nazývaného motor s konstantním proudem ventilu, je sada kartáčů nahrazena polovodičovým spínačem, kotva je stacionární, rotor je stálý magnet.

Princip činnosti ventilového motoru

Ventilový motor je chápán jako variabilní elektrický pohonný systém sestávající ze střídavého elektromotoru konstrukčně podobného synchronnímu stroji, ventilového měniče a řídicích zařízení, která zajišťují komutaci obvodů vinutí motoru v závislosti na poloze rotoru motoru.V tomto smyslu je ventilový motor podobný stejnosměrnému motoru, u kterého je pomocí komutačního spínače připojen ten závit vinutí kotvy, který je umístěn pod póly pole.

Stejnosměrný motor je složité elektromechanické zařízení, které kombinuje nejjednodušší elektrický stroj a elektronický řídicí systém.

Stejnosměrné motory mají vážné nevýhody, zejména kvůli přítomnosti kartáčového kolektoru:

1. Nedostatečná spolehlivost kolektorového aparátu, nutnost jeho periodické údržby.

2. Omezené hodnoty napětí kotvy a tím i výkonu stejnosměrných motorů, což omezuje jejich použití pro vysokorychlostní pohony s vysokým výkonem.

3. Omezená přetížitelnost stejnosměrných motorů, omezující rychlost změny proudu kotvy, která je nezbytná pro vysoce dynamické elektrické pohony.

U ventilového motoru se tyto nevýhody neprojevují, protože zde je spínač kartáč-kolektor nahrazen bezkontaktním spínačem vyrobeným na tyristorech (u pohonů s vysokým výkonem) nebo tranzistorech (u pohonů s výkonem do 200 kW ). Na základě toho se ventilový motor, který je konstrukčně založen na synchronním stroji, často nazývá bezkontaktní stejnosměrný motor.

Z hlediska ovladatelnosti je bezkomutátorový motor také podobný stejnosměrnému motoru – jeho rychlost se nastavuje změnou velikosti použitého stejnosměrného napětí. Ventilové motory jsou díky svým dobrým regulačním vlastnostem široce používány k pohonu různých robotů, obráběcích strojů, průmyslových strojů a mechanismů.

Tranzistorový komutátor s permanentním magnetem s elektrickým pohonem

Ventilový motor tohoto typu je vyroben na bázi třífázového synchronního stroje s permanentními magnety na rotoru. Třífázová statorová vinutí jsou napájena stejnosměrným proudem napájeným sériově do dvou sériově zapojených fázových vinutí. Spínání vinutí se provádí tranzistorovým spínačem vyrobeným podle třífázového můstkového zapojení.Tranzistorové spínače se otevírají a zapínají v závislosti na poloze rotoru motoru. Schéma motoru ventilu je znázorněno na Obr.

Obr. 1. Schéma ventilového motoru s tranzistorovým spínačem

Točivý moment vytvářený motorem je určen interakcí dvou závitů:

• stator vytvořený proudem ve vinutí statoru,

• rotor vytvořený z vysokoenergetických permanentních magnetů (na bázi slitin samarium-kobalt a dalších).

kde: 0 je prostorový úhel mezi vektory toku statoru a rotoru; pn je počet pólových párů.

Magnetický tok statoru má tendenci otáčet rotorem s permanentním magnetem tak, aby se tok rotoru shodoval ve směru s tokem statoru (nezapomeňte na magnetickou střelku, kompas).

Největší moment vytvořený na hřídeli rotoru bude pod úhlem mezi vektory toku rovný π / 2 a bude klesat na nulu, jak se toky toku přiblíží. Tato závislost je znázorněna na Obr. 2.

Uvažujme prostorový diagram vektorů toku odpovídající režimu motoru (s počtem pólových párů pn = 1). Předpokládejme, že jsou v tuto chvíli zapnuty tranzistory VT3 a VT2 (viz schéma na obr. 1). Poté proud protéká vinutím fáze B a v opačném směru vinutím fáze A. Výsledný vektor ppm. stator bude v prostoru zaujímat pozici F3 (viz obrázek 3).

Pokud je nyní rotor v poloze znázorněné na obr. 4, pak motor vyvine podle 1 maximální točivý moment, při kterém se rotor bude otáčet ve směru hodinových ručiček. S klesajícím úhlem θ se bude snižovat točivý moment. Při otočení rotoru o 30° je nutné podle grafu na obr. 2. přepněte proud ve fázích motoru tak, aby výsledný ppm vektorový stator byl v poloze F4 (viz obr. 3). Chcete-li to provést, vypněte tranzistor VT3 a zapněte tranzistor VT5.

Spínání fází se provádí tranzistorovým spínačem VT1-VT6 řízeným snímačem polohy rotoru DR; v tomto případě je úhel θ udržován v rozmezí 90° ± 30°, což odpovídá maximální hodnotě točivého momentu s nejmenším zvlněním. Při ρn = 1 je třeba provést šest sepnutí na jednu otáčku rotoru, tedy ppm. stator udělá plnou otáčku (viz obr. 3). Když je počet pólových párů větší než jedna, rotace ppm vektoru statoru a tedy i rotoru bude 360/pn stupňů.

Obr. 2. Závislost točivého momentu motoru na úhlu mezi vektory toku statoru a rotoru (při pn = 1)

Obr. 3. Prostorové schéma ppm statoru při spínání fází motoru ventilu

Obr. 4. Prostorový diagram v motorickém režimu

Úprava hodnoty točivého momentu se provádí změnou hodnoty ppm. stator, tzn. změna průměrné hodnoty proudu ve vinutí statoru

kde: R1 je odpor vinutí statoru.

Protože tok motoru je konstantní, bude emf indukované ve dvou sériově zapojených statorových vinutích úměrné rychlosti rotoru.Rovnice elektrické rovnováhy pro obvody statoru bude

Když jsou spínače vypnuté, proud ve vinutí statoru nezmizí okamžitě, ale je uzavřen přes zpětné diody a filtrační kondenzátor C.

Úpravou napájecího napětí motoru U1 je tedy možné upravit velikost proudu statoru a momentu motoru

Je snadné vidět, že získané výrazy jsou podobné analogickým výrazům pro stejnosměrný motor, takže mechanické charakteristiky ventilového motoru v tomto obvodu jsou podobné charakteristikám stejnosměrného motoru s nezávislým buzením při Φ = konst .

V uvažovaném obvodu je provedena změna napájecího napětí střídavého motoru metodou nastavení šířky pulzu… Změnou pracovního cyklu pulsů tranzistorů VT1-VT6 během období jejich zařazení je možné upravit průměrnou hodnotu napětí přiváděného do statorových vinutí motoru.

Chcete-li použít režim zastavení, musí být algoritmus činnosti tranzistorového spínače změněn takovým způsobem, aby vektor ppm statoru zaostával za vektorem toku rotoru. Potom bude moment motoru záporný. Protože je na vstupu měniče instalován neřízený usměrňovač, regenerace brzdné energie v tomto okruhu není možná.

Při vypínání se dobíjí kondenzátor filtru C. Omezení napětí na kondenzátorech se provádí připojením vybíjecího odporu přes tranzistor VT7. Tímto způsobem je brzdná energie rozptýlena v zátěžovém odporu.