Gleichrichtersteuerung

Das Wort „Ventil“ im Motornamen leitet sich vom Wort „Valve“ ab, was Halbleiterschalter bedeutet. Somit kann der Antrieb grundsätzlich als Ventilantrieb bezeichnet werden, wenn seine Funktionsweise durch einen speziellen Wandler aus gesteuerten Halbleiterschaltern gesteuert wird.

Der Ventilantrieb selbst ist ein elektromechanisches System, bestehend aus einer Synchronmaschine mit Permanentmagneten am Rotor und einem elektronischen Kommutator (der die Statorwicklungen antreibt) mit automatischer sensorbasierter Steuerung.

In vielen Bereichen der Technik, in denen traditionell Asynchronmotoren oder Gleichstrommaschinen eingesetzt wurden, sind heute gerade Ventilmotoren häufig anzutreffen, da magnetische Materialien immer billiger werden und sich die Grundlagen der Halbleiterelektronik und Steuerungssysteme sehr schnell weiterentwickeln.

Permanentmagnetrotor-Synchronmotoren haben eine Reihe von Vorteilen:

• es gibt keine Vorrichtung zum Sammeln von Bürsten, daher ist die Lebensdauer des Motors länger und seine Zuverlässigkeit höher als bei Maschinen mit Schleifkontakten, außerdem ist der Betriebsdrehzahlbereich höher;

• ein großer Bereich der Versorgungsspannungen der Wicklungen; Eine erhebliche Drehmomentüberlastung ist zulässig – mehr als das Fünffache.

• hohe Dynamik des Augenblicks;

• Es ist möglich, die Geschwindigkeit unter Beibehaltung des Drehmoments bei niedrigen Drehzahlen oder unter Beibehaltung der Leistung bei hohen Drehzahlen anzupassen;

• Wirkungsgrad über 90 %;

• minimale Leerlaufverluste;

• kleine Gewichts- und Größenmerkmale.

Neodym-Eisen-Bor-Magnete sind durchaus in der Lage, eine Induktion im Spalt in der Größenordnung von 0,8 T, also auf dem Niveau von Asynchronmaschinen, zu erzeugen, und die wichtigsten elektromagnetischen Verluste in einem solchen Rotor fehlen. Dadurch kann die Streckenbelastung des Rotors erhöht werden, ohne dass sich die Gesamtverluste erhöhen.

Dies ist der Grund für den höheren elektromechanischen Wirkungsgrad. Ventilmotoren im Vergleich zu anderen bürstenlosen Maschinen wie Induktionsmotoren. Aus dem gleichen Grund nehmen Ventilmotoren heute einen würdigen Platz in den Katalogen führender ausländischer und inländischer Hersteller ein.

Die Steuerung der Wechselrichterschalter eines Permanentmagnetmotors erfolgt herkömmlicherweise in Abhängigkeit von seiner Rotorposition. Die damit erreichten hohen Leistungseigenschaften machen Ventilbetätigungen im kleinen und mittleren Leistungsbereich für Automatisierungssysteme, Werkzeugmaschinen, Roboter, Manipulatoren, Koordinatengeräte, Bearbeitungs- und Montagelinien, Führungs- und Verfolgungssysteme, für die Luftfahrt, Medizin, Transportwesen usw. vielversprechend . .G.

Für den städtischen Elektroverkehr werden insbesondere Traktions-Scheibenventilmotoren mit einer Leistung von mehr als 100 kW hergestellt. Hier kommen Neodym-Eisen-Bor-Magnete mit Legierungszusätzen zum Einsatz, die die Koerzitivfeldstärke erhöhen und die Betriebstemperatur der Magnete auf 170 °C erhöhen, so dass der Motor kurzzeitige fünffache Strom- und Drehmomentüberlastungen problemlos übersteht.

Lenkantriebe für U-Boote, Land- und Flugzeuge, Radmotoren, Waschmaschinen – Ventilmotoren finden heute vielerorts sinnvolle Anwendungen.

Es gibt zwei Arten von Ventilmotoren: Gleichstrom (BLDC – bürstenloser Gleichstrom) und Wechselstrom (PMAC – Permanentmagnet-Wechselstrom). Bei Gleichstrommotoren ist die trapezförmige Rotations-EMK in den Wicklungen auf die Anordnung der Rotormagnete und der Statorwicklungen zurückzuführen. Bei Wechselstrommotoren ist die elektromotorische Rotationskraft sinusförmig. In diesem Artikel werden wir über die Steuerung eines sehr verbreiteten bürstenlosen Motortyps sprechen – BLDC (Gleichstrom).

DC-Ventilmotor und sein Steuerprinzip BLDC-Motoren zeichnen sich durch das Vorhandensein eines Halbleiterschalters aus, der anstelle des charakteristischen Bürstensammelblocks fungiert Gleichstrommaschinen mit Statorwicklung und magnetischem Rotor.

Die Umschaltung des Kommutators des Ventilmotors erfolgt abhängig von der aktuellen Position des Rotors (abhängig von der Position des Rotors). Meistens ist die Statorwicklung dreiphasig, genau wie bei einem Induktionsmotor mit Sternschaltung, und die Konstruktion des Permanentmagnetrotors kann unterschiedlich sein.

Das Antriebsmoment im BLDC entsteht durch die Wechselwirkung der magnetischen Flüsse des Stators und des Rotors: Der magnetische Fluss des Stators neigt ständig dazu, den Rotor in eine solche Position zu drehen, dass der magnetische Fluss der Permanentmagnete Die darauf installierte Richtung stimmt mit dem magnetischen Fluss des Stators überein.

Auf die gleiche Weise richtet das Erdmagnetfeld die Kompassnadel aus – es entfaltet sie „entlang des Feldes“. Mit dem Rotorpositionssensor können Sie den Winkel zwischen den Strömungen konstant auf dem Niveau von 90 ± 30 ° halten, in dieser Position ist das Drehmoment maximal.

Der BLDC-Halbleiterschalter für die Statorwicklungsstromversorgung ist ein gesteuerter Halbleiterwandler mit einem harten 120°-Algorithmus zum Schalten von Spannungen oder Strömen von drei Betriebsphasen.

Ein Beispiel für ein Funktionsdiagramm des Leistungsteils eines Umrichters mit der Möglichkeit der regenerativen Bremsung ist in der Abbildung oben dargestellt. Hier ist der Wechselrichter mit Amplituden-Puls-Modulation des Ausgangs enthalten IGBT-Transistoren, und die Amplitude wird dank angepasst Pulsweitenmodulation auf einem Zwischenkreis.

Grundsätzlich werden hierfür Thyristor-Frequenzumrichter mit autonomem Spannungs- oder Stromwechselrichter mit Leistungsregelung und Transistor-Frequenzumrichter mit autonomem Spannungswechselrichter im PWM-Modus oder mit Relaisregelung des Ausgangsstroms eingesetzt.

Dadurch ähneln die elektromechanischen Eigenschaften des Motors denen herkömmlicher Gleichstrommaschinen mit magnetoelektrischer oder unabhängiger Erregung, weshalb BLDC-Steuerungssysteme nach dem klassischen Prinzip der Slave-Koordinatensteuerung eines Gleichstromantriebs mit Rotorumdrehungen und Stromschleifen aufgebaut sind der Stator.

Für den korrekten Betrieb des Kommutators kann als Sensor bzw. System ein mit dem Polmotor gekoppelter kapazitiver oder induktiver diskreter Sensor eingesetzt werden basierend auf Hall-Effekt-Sensoren mit Permanentmagneten.

Allerdings verkompliziert das Vorhandensein eines Sensors häufig die Konstruktion der gesamten Maschine, und in einigen Anwendungen kann der Rotorpositionssensor überhaupt nicht installiert werden. Daher greift man in der Praxis häufig auf den Einsatz „sensorloser“ Steuerungssysteme zurück. Der sensorlose Steuerungsalgorithmus basiert auf der Analyse von Daten direkt von den Wechselrichterklemmen und der aktuellen Frequenz des Rotors oder der Stromversorgung.

Der beliebteste sensorlose Algorithmus basiert auf der Berechnung der EMF für eine der Phasen des Motors, die gerade von der Stromversorgung getrennt sind. Der EMF-Übergang der Aus-Phase durch Null wird festgelegt, eine Verschiebung um 90° bestimmt, der Zeitpunkt berechnet, zu dem die Mitte des nächsten Stromimpulses fallen soll. Der Vorteil dieser Methode liegt in ihrer Einfachheit, es gibt aber auch Nachteile: Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist es recht schwierig, den Zeitpunkt des Nulldurchgangs zu bestimmen; Die Verzögerung erfolgt nur bei konstanter Drehzahl.

Für eine genauere Steuerung werden mittlerweile komplexe Methoden zur Abschätzung der Position des Rotors verwendet: entsprechend der Verbindung des Flusses der Phasen, entsprechend der dritten Harmonischen der EMK der Wicklungen, entsprechend Änderungen der Induktivität der Phasenwicklungen.

Betrachten Sie ein Beispiel für die Überwachung von Streaming-Verbindungen. Es ist bekannt, dass die BLDC-Drehmomentwelligkeit 25 % erreicht, wenn der Motor mit rechteckigen Spannungsimpulsen versorgt wird, was zu einer ungleichmäßigen Drehung führt, wodurch eine Drehzahlregelungsgrenze darunter entsteht. Daher werden in den Statorphasen durch geschlossene Regelkreise Ströme nahezu quadratischer Form gebildet.