Лекція № 11. Спеціальні двигуни постійного струму. Вентильні двигуни

11.1. Спеціальні двигуни постійного струму

У двигунах постійного струму, що застосовуються в ПР, використані практично всі типи конструкцій магнітних систем: радіальні, скобоподібні, кільцеві, зовнішні з якорем класичної конструкції, набраного з шихтованої електротехнічної сталі, внутрішні, розташовані всередині пустого якоря.

Поряд з класичною конструкцією якоря добре вивченою в курсі “Електричні машини”, широко застосовується гладкий і малоінерційний якорі. Гладкий якір з відкритим пазом і мінімальним числом витків у секції має зменшену індуктивність секції і обмотки якоря в цілому. У зв’язку з цим при гладкому якорі поліпшуються умови комутації машин і, отже, перевантажувальна здатність. Мала інерційність якоря досягається його порожнім або дисковим виконанням.

Двигуни з порожнім ротором (ДПУ135) – мають конструкцію, що спрощено зображена на рис.1.

На підшипниковому щиті 2 укріплено постійний магніт 4. Магнітний потік замикається по корпусу 3 і пронизує витки обмотки якоря, яка виконана двошаровою і утворює порожній ротор 5 при заливці її спеціальним компаундом і наступної формовки. Ротор насаджений на вал 1. Кінці обмоток виведені на колектор 7, до якого притиснуті щітки 6.

Двигуни мають хорошу комутацію завдяки малій індуктивності секцій, електромагнітну і електромеханічну постійну часу у 2–2,5 рази менше і більш високий ККД, ніж звичайні двигуни тієї ж потужності.

Дискові двигуни мають штампований дисковий якір із ізоляційного матеріалу, по обидві боки якого методом печатного монтажу нанесені тонкі провідники, як показано на рис.2. Радіальні ділянки 1 витків утворюють активні провідники, зігнуті ділянки 2 – лобову частину обмотки. Перехід з одного боку на інший здійснюється через металізовані отвори або клепки 3.

Рис.11.2. Якір з печатною обмоткою (восьмиполюсна хвильова обмотка).

Провідники печатного монтажу виконані без ізоляції і, отже, допускають суттєво більші щільності струмів (30–40 А/мм² і до 100–150 А/мм² в імпульсі), ніж обмотки звичайного якоря, що знаходиться в пазах, завдяки кращим умовам охолодження. Звичайно у таких машин щітки ковзають безпосередньо по провідникам обмотки, тобто колектора не треба. Момент інерції печатного якоря у 2–4 рази менше, ніж у двигуна тієї ж потужності з якорем звичайного виконання. На рис.3. зображена конструкція дискового двигуна ДПУ, де позначені: 1 – вал, 2 – щітки, 3 – щіткотримач, 4 – полюс, 5 – магнітопровід, 6 – корпус, 7 – роз’єм, 8 – якір, 9 – щит підшипниковий, 10 – тахогенератор.

Рис.11.3. Конструкція двигуна ДПУ (дискового).

Постійні магніти 4 закріплені в кільцевому магнітопроводі 5, що виготовлений з магнітом’якого матеріалу. Магнітна система вбудована в корпус 6 і підшипниковий щит 9. У корпусі встановлено щітковий вузол 2 і 3. Щітки 2 безпосередньо ковзають по провідникам обмотки печатного якоря 8.

Двигун з печатною обмоткою на дисковому якорі у порівнянні з двигунами звичайної конструкції має наступні переваги:

– незначну електромагнітну постійну часу,

– безіскрову комутацію,

– понижений момент інерції,

– покращені динамічні якості,

– лінійність механічних характеристик в тому числі при великих навантаженнях,

– невелику вартість,

– низький рівень шумів і вібрацій.

Недоліки:

– мала жорсткість механічної характеристики (за рахунок великої щільності струму обмотки якоря),

– підвищені втрати в міді і на вихрові струми у печатній обмотці, що знижують ККД,

– підвищений розмір немагнітного зазору, що також приводить до зниження ККД,

– мала довговічність за рахунок зносу печатного монтажу під щіткою.

Електромагнітна постійна часу у розглянутого нами типу двигунів суттєво менше електромеханічної, і передавальна функція двигуна може бути записана спрощено:

,

де ω – кутова швидкість (1/с), U_я – напруга якоря, с –постійна машини (В×с), Т_м – електромеханічна постійна (с).

11.2. Вентильні двигуни

Недоліки двигунів постійного струму у значній мірі пов’язані з наявністю щіточно–колекторного вузла. Досягнення напівпровідникової техніки дозволяють замінити цей вузол безконтактним комутатором на тиристорах або транзисторах. Такі двигуни називаються вентильними або безконтактними двигунами постійного струму.

Як правило, безконтактний двигун постійного струму (4С(Х)2П і ДВУ в тому числі) має обернене виконання, тобто обмотку якоря, розташовують в пазах статора, а ротор являє собою постійний магніт з однією або двома парами полюсів.

Для забезпечення рівномірного обертання двигуна і відсутності “мертвих” точок в утворенні електромагнітного моменту як і в будь–якому двигуні постійного струму необхідна багатосекційна обмотка якоря, а це зв’язано із збільшенням числа напівпровідникових ключів і ускладненням схеми керування. У зв’язку з цим звичайним є компромісне рішення, коли обмотка якоря робиться трисекційною, якій відповідає трифазна обмотка статора машини змінного струму – синхронній (асинхронній). Так, серія вентильних двигунів 4С(Х)2П базується на серії асинхронних двигунів 4А.

Рис.11.4. Схема вентильного двигуна (а), розташування векторів магнітних потоків (б) і часові діаграми напруг на фазних обмотках (в)

Вентильний двигун являє собою електропривід із синхронним двигуном й інвертор. Керування інвертором здійснюється залежно від кута повороту ротора. На рисунку 4 зображена схема обмоток якоря, інвертора та оптичного датчика (а) вентильного двигуна, а також векторні діаграми магнітних потоків (б) і часові залежності напруг на фазних обмотках (в).

Обмотка статора 1 аналогічна трифазній обмотці асинхронного (синхронного) двигуна, ротор 2 явно полюсний, виконаний з постійного магніту, інвертор 3 транзисторний, керований оптичним датчиком 4 кута ротора, який може бути також трансформаторним або швидкісним. Між датчиком кута і ключами комутатора звичайно є підсилювачі–формувачі сигналу, які на рисунках 4 для простоти не показані.

Принципи дії:

– вихідне положення ротора двигуна й датчика кута, непрозорий сектор 5 якого зв’язаний з валом ротора відповідає відрізку часу 1 (рис.4,в). Фотодіоди С^/, В і А^/ закриті сектором 5 та світло на них не попадає, а фотодіоди А, В^/ і С освітлені, пропускають струм та держать транзистори комутатора Та, Тb^/ і Тс у провідному (відкритому) стані.

_– до фазних обмоток статора прикладена напругу, знак і рівень котрої показаний на рисунку 4,в, відповідне положення векторів магнітних потоків: Фа, Фb, Фс – фаз А, В і С і Ф_яΣ – якоря (сумарного), Фо – постійного магніту зображено на рисунку 4,б;

_– потік Ф_яΣ є результуючим вектором магнітного поля якоря й складається з потоків Фа, Фb, Фс. При вказаному розташуванні векторів Ф_яΣ і Фо на ротор діє момент, що прагне сумістити вектор Фо з Ф_яΣ на ±30^о від указаного на рисунку середнього положення;

_– при повороті ротора під дією М проти годинникової стрілки більше ніж на 30^о від вказаного положення сектор 5 датчика відкриє фотодіод С^/ і закриє фотодіод С, відповідно відключиться транзистор Т^/_с, тобто полярність напруги, прикладеної до фази С, зміниться, а на фазах А й В відбувається перерозподіл величин напруг без зміни знака (рис.4,в);

_– вектор Ф_яΣ повернеться у напрямку обертання ротора на 60^о. По мірі обертання ротора за його повний оберт станеться шість перемикань транзисторів інверторів. Перші гармоніки отриманих напруг на обмотках статора утворять трифазну систему і створюють обертове магнітне поле, синхронно з яким обертається ротор.