Ventilmotor

Gleichstrommaschinen weisen in der Regel höhere technische und wirtschaftliche Kennzahlen (Linearität der Kennlinien, hoher Wirkungsgrad, geringe Abmessungen etc.) auf als Wechselstrommaschinen. Ein wesentlicher Nachteil ist das Vorhandensein einer Bürstenvorrichtung, die die Zuverlässigkeit verringert, das Trägheitsmoment erhöht, Funkstörungen, Explosionsgefahr usw. verursacht. Daher stellt sich natürlich die Aufgabe, einen kontaktlosen (bürstenlosen) Gleichstrommotor zu schaffen.

Die Lösung dieses Problems wurde mit dem Aufkommen von Halbleiterbauelementen möglich. Bei einem kontaktlosen Gleichstrommotor, einem sogenannten Konstantstrommotor, wird der Bürstensatz durch einen Halbleiterschalter ersetzt, der Anker ist stationär, der Rotor ist stationär Dauermagnet.

Das Funktionsprinzip des Ventilmotors

Unter dem Ventilmotor versteht man ein variables elektrisches Antriebssystem, bestehend aus einem Wechselstrom-Elektromotor, der strukturell einer Synchronmaschine ähnelt, einem Ventilwandler und Steuereinrichtungen, die abhängig von der Position des Motorrotors für die Kommutierung der Motorwicklungskreise sorgen.In diesem Sinne ähnelt ein Ventilmotor einem Gleichstrommotor, bei dem mittels eines Kommutierungsschalters diejenige Windung der Ankerwicklung geschaltet wird, die unterhalb der Feldpole liegt.

Ein Gleichstrommotor ist ein komplexes elektromechanisches Gerät, das die einfachste elektrische Maschine und ein elektronisches Steuerungssystem kombiniert.

Gleichstrommotoren haben gravierende Nachteile, die hauptsächlich auf das Vorhandensein eines Bürstenkollektors zurückzuführen sind:

1. Unzureichende Zuverlässigkeit des Kollektorgeräts, Notwendigkeit seiner regelmäßigen Wartung.

2. Begrenzte Werte der Ankerspannung und dementsprechend die Leistung von Gleichstrommotoren, was ihre Verwendung für Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsantriebe einschränkt.

3. Begrenzte Überlastfähigkeit von Gleichstrommotoren, wodurch die Änderungsgeschwindigkeit des Ankerstroms begrenzt wird, was für hochdynamische elektrische Antriebe unerlässlich ist.

Bei einem Ventilmotor treten diese Nachteile nicht auf, da hier der Bürstenkollektorschalter durch einen berührungslosen Schalter auf Thyristoren (für Hochleistungsantriebe) oder Transistoren (für Antriebe mit einer Leistung bis 200 kW) ersetzt wird ). Aus diesem Grund wird ein Ventilmotor, der strukturell auf einer Synchronmaschine basiert, oft als berührungsloser Gleichstrommotor bezeichnet.

Auch hinsichtlich der Steuerbarkeit ähnelt ein bürstenloser Motor einem Gleichstrommotor – seine Drehzahl wird durch Variation der Größe der angelegten Gleichspannung angepasst. Aufgrund ihrer guten Regeleigenschaften werden Ventilmotoren häufig zum Antrieb verschiedener Roboter, Metallschneidemaschinen, Industriemaschinen und Mechanismen eingesetzt.

Permanentmagnet-Transistor-Kommutator mit elektrischem Antrieb

Der Ventilmotor dieses Typs basiert auf einer dreiphasigen Synchronmaschine mit Permanentmagneten am Rotor. Dreiphasige Statorwicklungen werden mit Gleichstrom versorgt, der in Reihe an zwei in Reihe geschaltete Phasenwicklungen angelegt wird. Die Umschaltung der Wicklungen erfolgt durch einen Transistorschalter nach einer dreiphasigen Brückenschaltung. Die Transistorschalter werden je nach Stellung des Motorrotors geöffnet und geschlossen. Das Ventilmotordiagramm ist in Abb. dargestellt.

Feige. 1. Diagramm eines Ventilmotors mit Transistorschalter

Das vom Motor erzeugte Drehmoment wird durch das Zusammenspiel zweier Gewinde bestimmt:

• der Stator entsteht durch den Strom in den Statorwicklungen,

• Rotor aus hochenergetischen Permanentmagneten (basierend auf Samarium-Kobalt-Legierungen und anderen).

wobei: θ der Raumwinkel zwischen den Stator- und Rotorflussvektoren ist; pn ist die Anzahl der Polpaare.

Der Statormagnetfluss neigt dazu, den Permanentmagnetrotor so zu drehen, dass die Richtung des Rotorflusses mit der des Statorflusses übereinstimmt (Magnetnadel und Kompass nicht vergessen).

Das größte an der Rotorwelle erzeugte Moment entsteht in einem Winkel zwischen den Flussvektoren von π/2 und nimmt bei Annäherung der Flussflüsse auf Null ab. Diese Abhängigkeit ist in Abb. dargestellt. 2.

Betrachten wir das räumliche Diagramm der Flussvektoren entsprechend dem Motormodus (mit der Polpaarzahl pn = 1). Angenommen, im Moment sind die Transistoren VT3 und VT2 eingeschaltet (siehe Diagramm in Abb. 1). Dann fließt der Strom durch die Wicklung der Phase B und in entgegengesetzter Richtung durch die Wicklung der Phase A. Der resultierende Vektor ppm. Der Stator nimmt die Position F3 im Raum ein (siehe Abbildung 3).

Befindet sich der Rotor nun in der in Abb. 4, dann entwickelt der Motor gemäß 1 das maximale Drehmoment, bei dem sich der Rotor im Uhrzeigersinn dreht. Wenn der Winkel θ kleiner wird, nimmt das Drehmoment ab. Wenn der Rotor um 30° gedreht wird, ist es gemäß der Grafik in Abb. erforderlich. 2. Schalten Sie den Strom in den Motorphasen so um, dass sich der resultierende ppm-Vektor-Stator in Position F4 befindet (siehe Abb. 3). Schalten Sie dazu den Transistor VT3 aus und den Transistor VT5 ein.

Die Phasenumschaltung erfolgt durch einen Transistorschalter VT1-VT6, der vom Rotorpositionssensor DR gesteuert wird; In diesem Fall wird der Winkel θ innerhalb von 90° ± 30° gehalten, was dem maximalen Drehmomentwert mit den kleinsten Wellen entspricht. Bei ρn = 1 müssen pro Rotorumdrehung sechs Schaltvorgänge vorgenommen werden, also ppm. Der Stator macht eine volle Umdrehung (siehe Abb. 3). Wenn die Anzahl der Polpaare größer als eins ist, beträgt die Drehung des ppm-Vektors des Stators und damit des Rotors 360/pn Grad.

Feige. 2. Abhängigkeit des Motordrehmoments vom Winkel zwischen Stator- und Rotorflussvektoren (bei pn = 1)

Feige. 3. Räumliches Diagramm des ppm-Stators beim Umschalten der Phasen des Ventilmotors

Feige. 4. Raumdiagramm im Motormodus

Die Anpassung des Drehmomentwertes erfolgt durch Änderung des ppm-Wertes. Stator, d.h. Änderung des Durchschnittswerts des Stroms in den Statorwicklungen

wobei: R1 der Statorwicklungswiderstand ist.

Da der Motorfluss konstant ist, ist die in zwei in Reihe geschalteten Statorwicklungen induzierte EMK proportional zur Rotorgeschwindigkeit.Die elektrische Gleichgewichtsgleichung für die Statorkreise lautet

Bei ausgeschalteten Schaltern verschwindet der Strom in den Statorwicklungen nicht sofort, sondern wird über die Sperrdioden und den Filterkondensator C geschlossen.

Daher ist es durch Anpassen der Motorversorgungsspannung U1 möglich, die Größe des Statorstroms und das Motordrehmoment anzupassen

Es ist leicht zu erkennen, dass die erhaltenen Ausdrücke analogen Ausdrücken für einen Gleichstrommotor ähneln, mit dem Ergebnis, dass die mechanischen Eigenschaften eines Ventilmotors in dieser Schaltung den Eigenschaften eines Gleichstrommotors mit unabhängiger Erregung bei Φ = const ähneln.

In der betrachteten Schaltung wird eine Änderung der Versorgungsspannung des bürstenlosen Motors vorgenommen durch die Methode der Impulsbreitenanpassung… Durch Ändern des Arbeitszyklus der Impulse der Transistoren VT1-VT6 während der Zeiträume ihres Einschlusses ist es möglich, den Durchschnittswert der an die Statorwicklungen des Motors angelegten Spannung anzupassen.

Um den Stoppmodus anzuwenden, muss der Betriebsalgorithmus des Transistorschalters so geändert werden, dass der Stator-ppm-Vektor dem Rotorflussvektor nacheilt. Dann wird das Motordrehmoment negativ. Da am Eingang des Umrichters ein ungeregelter Gleichrichter eingebaut ist, ist eine Rückgewinnung der Bremsenergie in diesem Kreis nicht möglich.

Beim Abschalten wird der Kondensator des Filters C aufgeladen. Die Spannungsbegrenzung an den Kondensatoren erfolgt durch Zuschaltung des Entladewiderstands über den Transistor VT7. Auf diese Weise wird die Bremsenergie im Lastwiderstand dissipiert.