ВИДЫ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В зависимости от конструктивных особенностей СДПМ различают два основных вида вентильных двигателей [3, 4]:
1. Бесконтактные (бесщеточные) двигатели постоянного тока (БДПТ), в англоязычной литературе называемые "brushless DC motors", в которых конструкция синхронной машины магнитоэлектрического возбуждения, т.е. геометрическое расположение витков обмотки якоря на статоре и постоянных магнитов на роторе, обуславливает фазные ЭДС вращения трапецеидальной формы (рис. 3).
2. Бесконтактные двигатели переменного тока - "permanent-magnet brushless AC motors", фазные ЭДС, вращения которых имеют синусоидальный характер. Именно такие системы чаще всего называют вентильными двигателями - ВД.

БЕСКОНТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

По принципу действия БДПТ представляет собой обращенную машину постоянного тока с магнитоэлектрическим индуктором на роторе и обмоткой якоря на статоре, функции щеточно-коллекторного узла в которой выполняет полупроводниковый коммутатор, питающий обмотку якоря и переключающийся в функции положения ротора.
Наиболее часто используются БДПТ с трехфазной обмоткой на статоре. Статор трехфазного БДПТ идентичен статору асинхронного двигателя (рис. 4) [5], и его обмотка, как правило, соединена в звезду.

Возможные варианты конструкции ротора двигателя и расположения постоянных магнитов иллюстрируются на рис. 5 [4].




Момент БДПТ образуется вследствие реакции двух магнитных потоков - статора и ротора. Магнитный поток статора всегда стремится так развернуть ротор с постоянными магнитами, чтобы поток последнего совпал с ним по направлению. Так же действует магнитное поле Земли на стрелку компаса. При этом с помощью датчика положения ротора электрический угол между двумя потоками в БДПТ всегда сохраняется в диапазоне 90±30O, что соответствует максимальному вращающему моменту.

Для питания обмотки якоря БДПТ принципиально может применяться любой управляемый полупроводниковый преобразователь, реализующий жесткий алгоритм 120-градусной коммутации токов или напряжений трехфазной нагрузки, как показано на рис. 6 [5]. В качестве примера на рис. 7 приведена функциональная схема силовой части двухзвенного преобразователя напряжений электропривода "Триол ВТ04" (производство корп. "Триол", г. Москва), построенной на базе транзисторного IGBTинвертора с амплитудно-импульсной модуляцией выходных напряжений, которая осуществляется посредством широтно-импульсного регулирования напряжения в звене постоянного тока преобразователя. Здесь: ВП - полууправляемый выпрямитель (вентильный преобразователь), предназначенный для обеспечения плавного предзаряда емкости входного фильтра преобразователя Ф1; КРН - ключ регулятора напряжения на емкости выходного фильтра Ф2; РК - разрядный ключ, предназначенный для реализации режимов генераторного торможения двигателя; АИН - транзисторный автономный инвертор напряжения; ДТ - датчик тока двигателя. Могут использоваться и другие двухзвенные преобразователи частоты (ПЧ) трехфазного электропривода переменного тока:
- тиристорный ПЧ с автономным инвертором тока или напряжения и управляемым вентильным преобразователем на стороне питающей сети;
- транзисторный ПЧ с автономным инвертором напряжения, работающим в режиме широтно-импульсной модуляции или прямого разрывного (релейного) регулирования выходного тока (см. ниже силовую схему ВД).

Механические и электромеханические (скоростные) характеристики БДПТ полностью аналогичны характеристикам классической машины постоянного тока с независимым или магнитоэлектрическим возбуждением.

Поэтому и системы автоматического управления скоростью БДПТ обычно строятся по классическому принципу подчиненного регулирования координат электропривода постоянного тока с контурами тока якоря и частоты вращения.



В качестве датчика собственных нужд, необходимого для реализации алгоритма переключения коммутатора БДПТ, могут использоваться согласованные с двигателем по числу пар полюсов индуктивные или емкостные дискретные датчики положения, а также системы на базе датчиков Холла и постоянных магнитов.

Однако любой из вышеперечисленных видов датчиков существенно усложняет конструкцию электрической машины и снижает надежность электропривода в целом. Кроме того, существует широкий круг технологи ческих механизмов, где в силу удаленности двигателя от коммутатора использование датчиков положения практически невозможно. В этой связи часто применяются так называемые "бездатчиковые" (sensorless) алгоритмы управления БДПТ, основанные на анализе поведения электромагнитных переменных СДПМ, которые могут быть измерены непосредственно на выходных клеммах полупроводникового преобразователя, и текущей частоты вращения (питания) двигателя.



Наиболее распространенный алгоритм "бездатчикового" управления БДПТ основан на косвенном измерении (вычислении оценки) ЭДС одной из фаз двигателя, на данном интервале времени отключенной от источника питания. Коммутация токов двигателя осуществляется путем фиксации момента перехода через ноль ЭДС отключенной фазы, который со сдвигом на 90 электрических градусов определяет середину соответствующего импульса тока [4] (рис.8). К преимуществам данного способа управления следует отнести его простоту, но очевидны и следующие недостатки:
- сложность определения момента перехода ЭДС через ноль на малых скоростях;
- задержку на включение очередного состояния коммутатора удается точно сформировать лишь при постоянной частоте вращения ротора.
Дабы избежать работы с малыми сигналами и не формировать программное запаздывание, можно использовать более сложные методы косвенного оценивания положения ротора [4]:
- по третьей гармонике ЭДС вращения;
- по изменениям индуктивностей фаз двигателя;
- по оценкам потокосцеплений фаз.
Причем алгоритмы оценивания потокосцеплений, в свою очередь, базируются на наблюдателях Люенбергера, расширенных фильтрах Калмана или нейросетевых моделях электромагнитных процессов в БДПТ. Один из вариантов построения наблюдателей потокосцеплений ВД рассмотрен ниже.
Известно (см. рис.6), что при прямоугольных напряжениях на фазах статора электромагнитный момент БДПТ существенно пульсирует (амплитуда пульсаций может достигать до 25% от номинального момента двигателя [6]), что вызывает неравномерность вращения, ограничивающую диапазон регулирования скорости снизу. Поэтому целесообразно формировать в фазах статора близкие к прямоугольным токи, для чего используются замкнутые контуры регулирования.

ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Синхронные двигатели с синусоидальной формой ЭДС вращения и, соответственно, с синусоидально распределенными по расточке статора трехфазными обмотками якоря сложнее в изготовлении, имеют значительные лобовые части обмоток и требуют, таким образом, большего расхода меди. Однако они превосходят БДПТ по массогабаритным показателям, обеспечивают минимальные пульсации вращающего момента и поэтому используются в глубоко регулируемых и прецизионных системах электропривода, приводах подач металлорежущих станков и измерительных установках. В отличие от БДПТ, питание обмотки якоря ВД переменного тока осуществляется трехфазно-симметричной системой токов (напряжений), при этом используется ставшая уже стандартной силовая схема преобразователя электрической энергии на базе транзисторного IGBT-инвертора напряжения (рис.9). Благодаря управлению транзисторами инвертора в режиме модифицированной синусоидальной или пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с относительно высокими частотами (для двигателей малой и средней мощности с номинальной частотой питания 50 Гц частоты ШИМ могут составлять от 1 до 20 кГц) обеспечивается близкая к синусоидальной форма токов ВД.