ВЕНТИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Вентильные двигатели

В последнее время стали популярными вентильные двигатели, которые успешно применяют в разных областях производства: на буровых установках, системах охлаждения в химической промышленности, нефтяных скважинах, приводах игрушек, транспорта, в бытовой технике.  В отличие от машин постоянного тока, наличие щеточного аппарата в которых снижает их эффективность, беспроводные вентильные двигатели управляются электроникой. Они надежны и долговечны.

Что такое вентильный двигатель

Вентильный двигатель (ВД) – это электродвигатель, в котором коллекторно- щеточный узел заменен бесконтактным полупроводниковым коммутатором, управляемым датчиком положения. ВД работают от сети постоянного тока [1].

Бесконтактный двигатель – это система регулируемого электропривода, состоящая из электродвигателя, вентильного преобразователя и блока электронного управления, который коммутирует обмотки статора в зависимости от положения ротора.

Микроконтроллер, выполняющий роль устройства управления, регулирует вектор магнитного поля статора, учитывая положение ротора. Коммутация прибора реализуется при помощи вентильного преобразователя.

Вентильные двигатели – электрические машины, в которых частота вращения вала не зависит от частоты в сети. Частота вращения регулируется изменением потока возбуждения и тока в якоре.

Преимущества вентильного двигателя

Вентильные двигатели имеют ряд достоинств [1]:

1. потеря энергии минимальна вследствие небольшого магнитного сопротивления;
2. высокий уровень безопасности даже при самых высоких нагрузках обеспечивается отсутствием контактных элементов, искрением при коммутации;
3. широкий диапазон оборотов, мягкое переключение скоростей облегчает работу бытовых приборов и приводов в различных сферах производства;
4. бесщеточные двигатели имеют высокие показатели КПД и мощности;
5. отсутствие щеточного механизма не требует технического обслуживания, делает двигатель легче и компактнее;
6. бесколлекторные электродвигатели могут использоваться в агрессивной и взрывоопасной среде, что расширяет область их применения;
7. высокая точность работы и динамика повышает эффективность прибора;
8. вентильные двигатели практически не создают радиопомех.

Недостатки

В то же время у вентильных двигателей есть и недостатки:

1. высокий уровень шума;
2. сложное управление инверторами;
3. высокая цена.

Конструкция бесконтактного двигателя [2]

Чтобы разобраться в том, что собой представляет вентильный двигатель и как он работает, необходимо знать его устройство.

Состоит бесколлекторный двигатель из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Двигателем управляет электронный регулятор. Магнит, входящий в состав ротора, имеет разное количество пар чередующихся полюсов. Их число может составлять от 2 до 8.

Раньше роторы выпускались с ферритовыми магнитами, потому что стоимость их была невысока. Но из-за того, что у них малая магнитная индукция, их заменили. В настоящее время в роторе используют магниты, изготовленные из редкоземельных элементов, имеющих высокую магнитную индукцию.

Статор бесконтактного вентильного двигателя имеет традиционную конструкцию. Он состоит из корпуса, сердечника и обмотки, уложенной по его периметру. Корпус применяется для защиты двигателя.

Наиболее распространены трехфазные вентильные двигатели. Обмотка статора в них изготовлена из меди. Медный провод состоит из одной или нескольких изолированных жил. Статор выполняется из нескольких листов шихтованной стали, сложенных вместе. Они снижают вихревые потоки. Количество зубьев статора должно быть кратно 3, потому что двигатель трехфазный. Число зубьев может быть меньше или больше числу полюсов на роторе.

Обмотки на статоре соединены двумя способами: схемой «звезда» или «треугольник.» Схема «звезда» применяется для создания больших крутящихся моментов, а «треугольник» для больших скоростей вращения.

На статоре расположены датчики Холла таким образом, чтобы на них действовали магниты ротора. Угол между датчиками должен быть 120 градусов. Иногда датчики располагают снаружи двигателя. Датчики Холла определяют положение ротора, в зависимости от которого подается напряжение на соответствующие обмотки. В трехфазном двигателе используются 3 датчика.

Кроме датчиков Холла распространены фотоэлектрические. Фотоэлектрический датчик имеет три стационарных приемника, каждый из которых по очереди закрывается шторкой, двигающейся синхронно с ротором. Датчики фиксируют 6 положений ротора. Сигналы от датчиков преобразуются устройством управления в импульсы напряжения, которые воздействуют на силовые ключи. Получается, что в каждую фазу работы двигателя включены два ключа, и к сети подключены последовательно две из трёх обмоток якоря. Обмотки якоря расположены на статоре со сдвигом на 120°, их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создаётся вращающееся магнитное поле. Фотоэлектрические датчики и датчики Холла не имеют инерционности, поэтому определяют положение ротора без запаздывания [3].

Силовые ключи в системе управления представлены тиристорами или транзисторами с изолированным затвором. Из силовых ключей собирается инвертор напряжения или инвертор тока. Управляет работой двигателя микроколлектор.

В вентильном двигателе находится также термодатчик. Он следит за тем, чтобы обмотки не перегревались. В состав термодатчика входят несколько последовательно соединенных позистора. Их сопротивление зависит от температуры: чем она выше, тем больше их сопротивление. Иногда в вентильном двигателе имеется тахогенератор для стабилизации скорости с большой точностью [3].

Принцип работы вентильного двигателя

Датчики указывают положение ротора машины. В зависимости от его положения устройство управления подает напряжение на обмотки статора. Контроллер двигателя подключает обмотки статора так, что направление поля от статора всегда перпендикулярно направлению поля ротора. Благодаря широтно-импульсной модуляции микроконтроллер управляет током, проходящим через обмотки статора, а значит и величиной вектора магнитного поля статора. Так регулируется вращающийся момент, действующий на ротор. Коммутация происходит таким образом, что поток возбуждения ротора поддерживается постоянным относительно потока якоря [4]. В результате столкновения двух потоков-якоря статора и потока возбуждения ротора образуется вращающийся момент, который стремится повернуть ротор так, чтобы эти потоки совпали. Но при повороте ротора под воздействием датчика положения обмотки переключаются, и поток якоря поворачивается на следующий шаг. Результирующий вектор тока сдвигается и остается неподвижным относительно потока ротора, в результате чего и возникает вращающийся момент на валу двигателя.

Основные характеристики вентильного двигателя

Существует несколько характеристик работы двигателя:

• режим работы. Он может быть длительным или кратковременным. При длительном режиме работы двигатель работает постоянно, не останавливается. Он устроен таким образом, что теплоотдача в среду больше, чем температура нагрева самого двигателя. Поэтому он не нагревается. Такой режим работы характерен для привода эскалатора, конвейера, вентиляции. Кратковременный режим работы предусматривает включение прибора на короткое время, за которое он не успевает нагреться до максимальной температуры. Затем его отключают, и температура, до которой он успел нагреться, снижается, аппарат остывает. Такой режим работы используется в бытовых приборах (фен, электробритва, лифт.);
• сопротивление обмотки двигателя. От этой характеристики зависит КПД двигателя. Чем ниже сопротивление в обмотке, тем выше КПД;
•  максимальное рабочее напряжение. Оно представляет собой максимальное напряжение, которое может выдержать обмотка статора;
• максимальные обороты. Находят этот показатель, умножив максимальное напряжение на количество оборотов двигателя на один вольт без нагрузки на валу (Kv);
•  максимальный ток. Данная характеристика обозначает наивысший показатель тока, допустимый в обмотке. Обычно указывают и время, в течение которого двигатель выдерживает максимальный ток. Максимальный ток зависит от температуры окружающей среды: чем ниже температура, тем выше данное время;
•  максимальная мощность двигателя. Это мощность, которую может развить двигатель. Обычно указанный показатель устанавливается в течение нескольких секунд. Работая длительное время на максимальной мощности, двигатель может сильно перегреться и выйти из строя,
•  номинальная мощность. Это мощность, при которой двигатель может работать в течение всего периода включения;
• угол опережения фазы (timing). Статор имеет некоторую индуктивность, которая тормозит рост тока в обмотке. Ток достигнет максимального значения в обмотке только через определенное время. Для компенсации задержки тока переключают фазы с опережением.

Классификация вентильных двигателей

Вентильные двигатели можно классифицировать по следующим признакам [5]:

• в зависимости от типа потребляемой энергии;
•  по количеству фаз;
•  по принципу работы.

В зависимости от типа потребляемой энергии различают два вида вентильных двигателей:

1. бесконтактные двигатели постоянного тока. Они представляют собой машину постоянного тока с магнитоэлектрическим индуктором на роторе и обмоткой якоря на статоре. Вместо щеточно-коллекторного узла используется полупроводниковый коммутатор. Вращающийся момент возникает в процессе взаимодействия магнитных потоков ротора и статора. Фазные ЭДС вращения трапецеидальной формы;
2. бесконтактные двигатели переменного тока. В них фазные ЭДС вращения синусоидальной формы. Именно такие машины в основном называют ВД.

Классифицировать их можно в зависимости от количества фаз в обмотке.

По такому принципу различают:

• однофазные двигатели. Это простейшее устройство, в котором связь между машиной и электроникой минимальна. Они применяются в основном в двигателях с высокой скоростью. У таких устройств масса недостатков: высокий вращающийся момент, пульсации, при некоторых положениях ротора запустить машину невозможно;
•  двухфазные двигатели. Они используются в основном в механизмах, где необходима связь между обмотками и статором. Высокий момент вращения и сильные пульсации могут привести к негативным последствиям;
•  трехфазные двигатели. Это самые востребованные двигатели. Они применяются на производстве и в быту, в транспорте.  Трехфазные вентильные двигатели эксплуатируются в устройствах, требующих высокой мощности и небольшой скорости. У них четное количество полюсов. Этот двигатель используется для создания крутящего момента при малом количестве фаз. Недостатками таких двигателей считается повышенный показатель шума;
• четырехфазные двигатели применяются редко из-за их высокой стоимости.  Они имеют пониженный момент вращения и минимальные пульсации.

Бесколлекторные двигатели подразделяются также по принципу работы [6]:

1. Синхронные –наиболее популярные вентильные двигатели. Именно о них и шла речь выше в статье. Они называются так из-за одинакового (синхронного) вращения ротора с магнитным полем. Одним из представителей синхронных вентильных двигателей является реактивный. Роторы таких машин производят из тонколистной стали с пробитыми пазами таким образом, чтобы они намагничивались с одной стороны меньше, чем с другой. Стремление магнитного поля ротора соединится с вращающимся магнитным потоком статора и создает вращающийся момент. Снижение тепловых потерь в роторе увеличивает плотность мощности и повышает крутящийся момент.
2. Асинхронные, Принцип регулирования скорости асинхронного двигателя в каскадных схемах заключается во введении в роторную цепь добавочной ЭДС (Едоб). Ток ротора в этом случае определяется разностью векторов ЭДС ротора (Е2) и добавочной (Едоб). В асинхронном двигателе ротор не вращается в противоположную сторону. Ротор следует за генерацией индукционного момента. Индуктор в таком двигателе не является генератором возбуждения магнитного поля ротора. Поэтому вентильный электродвигатель асинхронного типа может автономно заставлять вращаться ротор с определенной частотой от обмотки статора
3. Индукторные. Это сочетание индукторной машины и вентильного преобразователя. Данный вид двигателя экономит электроэнергию почти в 2 раза, материалоемкость снижена в 1,7 раза. Вентильно-индукторный механизм применяется в приводах и устройствах на промышленных предприятиях. Основной принцип работы вентильного двигателя индукторного типа состоит в создании момента на его валу за счет взаимодействия ферромагнитных зубцов ротора с магнитным полем на катушках обмотки статора. Коммутация в катушках статора происходит за счет сигналов датчиков положения ротора.

Высокий показатель КПД, мощности, точность, безопасность, возможность использования в агрессивной среде позволяет интенсивно применять вентильные двигатели в современном мире, используя достижения науки и техники, микропроцессорной электроники, программных средств управления и производства высокоэнергетических постоянных магнитов.

Список литературы:

1. «Вентильные электродвигатели», конспекты лекций Вятского государственного университета (ВятГУ). [Электронный ресурс] — Электрон. дан. —сайт «В универе» учебные материалы для студентов /Статьи в рубрике Электротехника/Специальные электрические машины,-2018- Режим доступа: https://vunivere.ru/work14943/page9 (дата обращения: 06.02.2018)
2.  «Электродвигатели: характеристика, описание, классификация. Основные виды электрических двигателей» [электронный ресурс]: — Электрон. дан. — М.: «Дом энергии» - сайт об альтернативных источниках энергии, электростанциях и генераторах, 2017. — Режим доступа: http://dom-en.ru/realiz52/ (дата обращения: 05.02.2018)
3. «Вентильный двигатель.» Справочник электрика / Трансформаторы и электрические машины. [Электронный ресурс] / — Электрон. дан. — М.: electricalschool.info Школа для Электрика, 2008 - 2018. — Режим доступа: http://electricalschool.info/spravochnik/maschiny/1080-ventilnyjj-dvigatel.html (дата обращения: 06.02.2018)
4. Нгуен Конг Там, Динь Куок Выонг, Ле Тхай Бинь, «Вентильный электродвигатель», Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, [Электронный ресурс]  — Электрон. дан. — М.: журнал научных публикаций аспирантов и докторантов, ISSN 1991-3087, 2015. — Режим доступа: http://jurnal.org/articles/2015/elect1.html (дата обращения: 08.02.2018)
5. М. Сонных, Л. Ганнель. «Основные технические особенности вентильных двигателей.» [Электронный ресурс] / — Электрон. дан. — М.: сайт Мирпром.ру, 2009. — Режим доступа: https://mirprom.ru/public/osnovnye-tehnicheskie-osobennosti-ventilnyh-dvigateley.html (дата обращения: 10.02.2018)
6. Андрей Райтер, «Вентильный двигатель: устройство и принцип работы. Синхронный и асинхронный двигатель» [Электронный ресурс]  — Электрон. дан. — М.:  сайтSYL.ru, 2013-2018. — Режим доступа: https://www.syl.ru/article/334155/ventilnyiy-dvigatel-ustroystvo-i-printsip-rabotyi-sinhronnyiy-i-asinhronnyiy-dvigatel (дата обращения: 10.02.2018)