Безконтактний двигун постійного струму

За принципом дії БДПС є оберненою машиною постійного струму з магнітоелектричним індуктором на роторі і обмоткою якоря на статорі, функції щітково-колекторного вузла в якій виконує напівпровідниковий комутатор, що живить обмотку якоря і що перемикається у функції положення ротора.

Найчастіше використовуються БДПС з трифазною обмоткою на статорі. Статор трифазного БДПС ідентичний статору асинхронного двигуна (рис.5), і його обмотка, як правило, з’єднана в зірку.

Рисунок 5 – Статор БДПС

Можливі варіанти конструкції ротора двигуна і розташування постійних магнітів ілюструються на рис. 6.

Рисунок 6 – Різноманітні конструкції ротора БДПС

Момент БДПС утворюється внаслідок реакції двох магнітних потоків - статора і ротора. Магнітний потік статора завжди прагне так розвернути ротор з постійними магнітами, щоб потік останнього співпав з ним по напряму. Так само діє магнітне поле Землі на стрілку компаса. При цьому за допомогою датчика положення ротора електричний кут між двома потоками в БДПС завжди зберігається в діапазоні 90±30˚, що відповідає максимальному обертальному моменту.

Для живлення обмотки якоря БДПС принципово може застосовуватися будь-який керований напівпровідниковий перетворювач, що реалізовує жорсткий алгоритм 120-градусної комутації струмів або напруги трифазного навантаження, як показано на рис. 7.

Рисунок 7 – Часові діаграми роботи БДПТ з двома парами полюсів

Як приклад на рис. 8 приведена функціональна схема силової частини дволанкового перетворювача, побудованою на базі транзисторного IGBT– інвертора з амплітудно-імпульсною модуляцією вихідної напруги, яка здійснюється за допомогою широко-імпульсного регулювання напруги в ланці постійного струму перетворювача.

Рисунок 8 – Функціональна схема силової частини електричного

Перетворювача БДПС

На рис. 8 зображено:

ВП - напівкерований випрямляч (вентильний перетворювач), призначений для забезпечення плавного перезаряду ємкості вхідного фільтру перетворювача Ф1;

КРН - ключ регулятора напруги на ємкості вихідного фільтру Ф2;

РК - розрядний ключ, призначений для реалізації режимів генераторного гальмування двигуна;

АІН - транзисторний автономний інвертор напруги;

ДС - датчик струму двигуна.

Можуть використовуватися і інші дволанкові перетворювачі частоти (ПЧ) трифазного електроприводу змінного струму:

- тиристор ПЧ з автономним інвертором струму або напруги і керованим вентильним перетворювачем на стороні живлячої мережі;

- транзисторний ПЧ з автономним інвертором напруги, що працює в режимі широко-імпульсної модуляції або прямого розривного (релейного) регулювання вихідного струму.

Механічні і електромеханічні (швидкісні) характеристики БДПС повністю аналогічні характеристикам класичної машини постійного струму з незалежним або магнітоелектричним збудженням.

Тому і системи автоматичного управління швидкістю БДПС зазвичай будуються за класичним принципом підлеглого регулювання координат електроприводу постійного струму з контурами струму якоря і частоти обертання.

Як датчик власних потреб, необхідне для реалізації алгоритму перемикання комутатора БДПС, можуть використовуватися узгоджені з двигуном по числу пар полюсів індуктивні або ємкісні дискретні датчики положення, а також системи на базі датчиків Хола і постійних магнітів.

Проте будь-яким з вищеперелічених видів датчиків істотно ускладнює конструкцію електричної машини і знижує надійність електроприводу в цілому. Крім того, існує широкий круг технологічних механізмів, де через віддаленість двигуна від комутатора використання датчиків положення практично неможливе. В зв'язку з цим часто застосовуються так звані "бездатчикові" алгоритми управління БДПС, засновані на аналізі поведінки електромагнітних змінних СДПМ, які можуть бути заміряні безпосередньо на вихідних клемах напівпровідникового перетворювача, і поточної частоти обертання (живлення) двигуна.

Найбільш поширений алгоритм "бездатчикового" управління БДПС заснований на непрямому вимірюванні (обчисленні оцінки) ЕРС однієї з фаз двигуна, на даному інтервалі часу відключеною від джерела живлення. Комутація струмів двигуна здійснюється шляхом фіксації моменту переходу через нуль ЕРС відключеної фази, який із зрушенням на 90 електричних градусів визначає середину відповідного імпульсу струму (рис.9).

Рисунок 9 – До принципу «бездатчикового» керування комутатором БДПС

До переваг даного способу управління слід віднести його простоту, але очевидні і наступні недоліки:

- складність визначення моменту переходу ЕРС через нуль на малих швидкостях;

- затримку на включення чергового стану комутатора вдається точно сформувати лише при постійній частоті обертання ротора.

Щоб уникнути роботи з малими сигналами і не формувати програмне запізнювання, можна використовувати складніші методи непрямого оцінювання положення ротора:

- по третій гармоніці ЕРС обертання;

- по змінах індуктивності фаз двигуна;

- по оцінках потокощеплення фаз [2].