Пути повышения эффективности управления бесколлекторным двигателем

УДК 621.311

Д. Д. Михайлов

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Ключевые слова: бесколлекторный двигатель, коммутация, коэффициент полезного действия, блок управления,

электромагнитное поле.

Рассмотрены особенности управления бесколлекторными двигателями, использующимися в настоящее время. Были выявлены основные проблемы, решение которых позволит повысить эффективность эксплуатации двигателей и увеличить их КПД.

Keywords: brushless motor, commutation, effectiveness, control module, electromagnetic field.

This article is devoted to analyze the features of brushless motors control which are used nowdays. There were found out base problems, determination of which would provide to increase the effectiveness of usage.

Введение

На сегодняшний день бесколлекторные электродвигатели получили достаточно широкое распространение и продолжают постепенно вытеснять двигатели классической конструкции в различных сферах применения [1,11,19]. Безусловно, по мере увеличения объемов их производства происходит оптимизация конструкции и снижение их стоимости, что дополнительно способствует расширению их применяемости, при этом, по мнению большинства современных исследователей, их механическая и силовая части достигли в целом достаточной степени совершенства, поэтому одним из перспективных путей дальнейшей их оптимизации, который в том числе может способствовать расширению сферы их применяемости, является разработка новых, более совершенных технических решений по их управлению.

Основные преимущества таких двигателей обусловлены отсутствием коллектора- то есть механического контакта, через который передается электроэнергия в ротор. В результате из двигателей исключен наименее надежный элемент- щетки коллектора, которые периодически изнашиваются, «залипают», крошатся и пр., а также ламели коллектора, также подверженные загрязнению и износу, поэтому данный тип двигателей востребован в нефтегазовой промышленности [2,3]. Силовой элемент для запорного оборудования особенно актуален, так как отсутствуют искрообразующие элементы Саморазмагничивание магнитов происходит достаточно медленно: несколько процентов за несколько лет, как и в любом моторе Также следует отметить два дополнительных фактора, обеспечивающих преимущество бесколлекторных двигателей перед двигателями классической конструкции- это бесшумность и отсутствие нагрева якоря, что определяет возможность работы бесколлекторных двигателей в более нагруженных и длительных режимах.

Бесколлекторные. В наружной рекламе они используются для автоматического управления жалюзи или вращающимися витринами. В отличие от щеточного электродвигателя, управление бесколлекторным двигателем осуществляется с

помощью электроники. Особенность регулирования электропривода с векторным управлением — контролируемые координаты, измеренные в неподвижной системе координат.

Управление бесколлекторными двигателями

Осуществляется электронно, посредством подачи на обмотки статора электрического сигнала требуемой частоты и амплитуды пропорционально желаемой скорости вращения ротора. Существует несколько способов генерации таких сигналов, наиболее рациональным из которых в технической реализации на базе цифровой схемотехники является широтно- импульсная модуляция (ШИМ).

Управление бесколлекторным двигателем является достаточно сложной задачей, которая решается с использованием блока управления, состоящего из двух узлов- модуля коммутации и микропроцессорного модуля.

Блок управления является неотъемлемой частью привода, использующего бесколлекторный двигатель, поскольку данный вид двигателей, сам по себе, не может быть приведен во вращение посредством подачи питающего напряжения на обмотки. Для приведения в движение БКДПТ требуется подача «вращающегося» магнитного поля, которое формирует последовательно переключающийся вектор притяжения полюсов ротора к соответствующим обмоткам статора по кругу. В общем случае можно принять данную систему двигателя схожей по принципу действия, к примеру, с асинхронным 3-фазным явнополюсным двигателем.

Для большинства конструкций

бесколлекторных двигателей также характерно наличие дополнительного узла- это датчик положения ротора, которые являются сигнализаторами положения полюсов ротора относительно соответствующих обмоток. В качестве датчиков чаще всего используются датчики Холла с длинной зоной срабатывания, которые позволяют осуществлять автоматизированную коммутацию обмоток для подачи на них соответствующего положительного или отрицательного напряжения, которое, в свою очередь, в период нахождения полюсов ротора в определенной зоне формирует

необходимые для вращения ротора векторы электромагнитного поля, при повороте ротора в следующий сектор текущая комбинация обмоток отключается и включается следующая.

Вращение поля и его коммутация позволяют вызвать вращательное движение ротора, при этом возможность регулирования скорости определяется изменением ЭДС обмоток, что может быть реализовано несколькими способами, суть которых чаще всего сводится к изменению напряжения на обмотках, причем на всех в одинаковой мере [10,11]. Реализация возможности плавного изменения амплитуды напряжения на обмотках реализуется посредством ступенчатого или плавного ограничения напряжения при помощи блоков резисторов или использованием соответствующих транзисторов в высокочастотном режиме, также возможно применение метода широтно- импульсной модуляции.

Все три вышеперечисленных метода дают примерно одинаковый и достаточный для полноценного управления двигателем результат, при этом схемотехническая реализация широтно-импульсного модулятора на практике представляется наиболее простой.

Основные проблемы управления

Анализ существующих технических решений по реализации бесколлекторных двигателей и систем их управления показывает, что наибольшее влияние на эффективность их использования и коэффициент полезного действия оказывает коммутация обмоток и форма электрического сигнала, подаваемого на них, поскольку в некоторые моменты времени, особенно в конце прохода полюсами ротора обмоток статора, наблюдаются моменты магнитного поля, затормаживающие вращение ротора. Данный фактор приобретает особый вес при использовании широтно- импульсной модуляции с меандрической формой при относительно малом числе полюсов статора [6,8,13].

Решение данной проблемы возможно двумя путями- посредством коррекции формы полюсов ротора и статора, а также использованием электрического сигнала более сложной формы. Представляется очевидным, что более простым путем решения данной проблемы является применение другой формы сигналов, то есть модернизация алгоритмов управления обмотками статора, поскольку данный путь характеризуется меньшими финансовыми затратами.

На сегодняшний день в мировой научной практике вопрос оптимизации управления бесколлекторными двигателями рассматривается недостаточно широко, а в отечественной практике за последние 5 лет полностью отсутствуют публикации аналогичной направленности, при этом вопросам управления мощными вентильными двигателями переменного тока уделено значительно большее внимание [17,24].

Технические решения

Для решения вышеназванной проблемы управления бесколлекторными двигателями необходимо произвести, в первую очередь, разработку и обоснование математических моделей электромагнитного поля в связке с коммутационными процессами в бесколлекторных двигателях, что позволит получить аналитическую модель электромагнитных процессов в магнитной системе БКД.

На основании такой модели будет получена возможность синтеза алгоритмов коррекции формы импульсов и порядка коммутации обмоток, что позволит добиться повышения КПД двигателя. В случае наличия адекватной многофакторной модели магнитной системы, возможность оптимизации параметров управления сможет быть применена к любому типу и конструкции бесколлекторного двигателя [20].

Наиболее важными факторами при разработке математической модели являются коммутационный интервал, форма электрического сигнала, характер векторов электромагнитного поля, а также воздействие магнитного поля, генерируемого постоянными магнитами ротора, на электрические и электромагнитные характеристики обмоток статора.

Заключение

Для оптимизации управления

бесколлекторными двигателями наиболее целесообразным направлением исследований является разработка математической модели оценки электромагнитных, магнитных и электрических характеристик системы ротор- статор для различных конструкций двигателей. Наличие такой аналитической модели позволит реализовать новые алгоритмы управления формой электрических импульсов и коммутацией обмоток с целью повышения КПД двигателя за счет исключения влияния тормозящих электромагнитных моментов, вызванных недостатками применяемых алгоритмов коммутации.

Литература

1. Бочкарев О.Е. Исследование свойств бесконтактных электродвигателей (БДПТ) при импульсном формировании несинусоидальных токов: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: МАИ, 1978

2. Бертинов А.И., Дубенский А.А. Бесконтактные двигатели со стабилизацией скорости и повышенной равномерностью вращения. Л., Наука, 1989

3. Бочкарев О.Е. Особенности бесколлекторного двигателя, питаемого от источника тока. Под ред. Ю.И. Конева. М., Советское радио, 1977

4. Владимирова Е.С. Синтез фаззи-регулятора для позиционных и следящих электроприводов // Электротехника, 2003, № 9

5. Воронов А.А., Титов В.К., Новогранов Б.К. Основы теории автоматического регулирования и управления. М.: Высшая школа, 1987

6. Гольц М.Б., Гудзенко А.В. Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями. - М.: Энергоатомиздат, 1986

7. Келим, Ю.М. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики. М.: Высш. шк., 1991

8. Дубенский А.А. Особенности регулирования и стабилизации скорости бесконтактных двигателей. В кн.: Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами. Л., Наука, 1988

9. Иванов В.В., Колпаков А.И. Применение IGBT // Электронные компоненты, 1996, № 1 (2), с. 12-15.

10. Иванов- Смоленский А.В. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование. М.: Энергия, 1986

11. Кенио Т., Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1989. 180 с.

12. Ловчиков А.И., Носкова Е.Е. Анализ и синтез широтно-импульсных систем. Электротехника, 1998, № 12

13. Микросхемы для управления электродвигателями. Выпуск 2. М.: ДОДЭКА, 2000.-288 с.

14. Соловьев В.А., Бычков В.В., Косов В.А. Импульсный регулятор напряжения с защитой, В кн.: Лучшие работы студентов народному хозяйству. Межвузовский сборник научных трудов. М., МТИ,1990, с.70-71.

15. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. М.: Высшая школа, 1998

16. Макаров В.Г. Анализ современного состояния теории и практики асинхронного электропривода. / Вестник Казанского технологического университета. Т. 14. № 6. Казань: КГТУ, 2011. С. 109-120.

17. Макаров В.Г., Яковлев Ю.А. Анализ состояния и перспективы развития работ по идентификации параметров электрических машин. / Вестник Казанского технологического университета. Т. 14. № 1. Казань: КГТУ, 2011. С. 134-144.

18. Константинов В.Г. Многофазные преобразователи на транзисторах. - М.: Энергия, 1972. - 96 с.

19. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с.

20. Чибиркин В.В. Создание силовых полупроводниковых приборов для преобразователей электроподвижного состава / Электротехника, - 1998. - № 3. - с. 1-9.

21. Розанов Ю.К., Флоренцов С.Н. Электропривод и силовая электроника / Электротехника, - 1997. - № 11. -с. 7-12.

22. Ануфриев Л.П., Дударчик А.И. Завод «Транзистор» -крупнейший производитель изделий силовой электроники / Электротехника, - 1996. - № 12. - с. 4-5.

23. Кочетков В.Д. АО «Электропривод» на выставке «Электро-96». / Электротехника, - 1996. - № 6. - с. 7-9.

24. Райхман А.Е. РО'МЪЖТКАЩ - современное решение проблемы управления электроприводом / Электротехника, - 1998. - № 2. - с. 57-59.

© Д. Д. Михайлов - старший преподаватель кафедры электротехники и электропривода КНИТУ, ddmdimulka@list.ru. © D. D. Mikhailov, senior teacher of chair of electrical equipment and electric drive KNRTU, ddmdimulka@list.ru.