Момент вращения вентильного электродвигателя

Рассмотрим формирование кривой вращающего момента на примере двухфазного двухполюсного вентильного электродвигателя. Соосно с обмотками статора имеем два чувствительных элемента (ЧЭ) датчика положения. Пусть в исходном состоянии ось полюсов ротора совпадает с осью фазы А (в системе координатных осей , рис.11.1.

Сигнальный элемент (СЭ) датчика положения ротора (ДПР), перекрывающий зону , входит в область чувствитель­ного элемента ДП1 и вырабатывает сигнал на включение фазы В на постоянное напряжение источника питания. Число сигнальных сек­торов равно числу пар полюсов ротора. В общем случае ширина зо­ны действия сигнального элемента

где - число пар полюсов, - число фаз (секции) обмотки статора. Пусть по фазе В протекает ток в положительном направлении и создает магнитный поток Ф_а Взаимодействие потоков статора и ротора создает вращающий момент

где - угол между векторами потоков ротора и обмотки статора, k, k -конструктивные коэффициенты, I_а - ток фаз обмотки статора.

Очевидно,- что при повороте ротора на угол момент, создаваемый фазой В, уменьша­ется до нуля. В это время сигнальный элемент датчика положения ротора входит в область чувствительного элемента ДП2 и вырабаты­вает сигнал на включение фазы А. Момент вращения максимален. Осуществляется поворот ротора еще на . Если в качестве чувстви­тельного элемента взяты датчики Холла, а в качестве сигнальных элементов - по­стоянные магниты, то при повороте ротора на угол тс под ДП1 меняется поляр­ность магнита, а ЭДС датчи­ка Холла меняет знак. ДП1 вырабатывает сигнал на включение фазы В, но с дру­гой полярностью прикладываемого напряжения. Направление момента вращения сохраняется и ротор поворачивается на очередной угол . Кривая момента вра­щения представлена на рис. 11.2,а.

Имеет место существенная пульсация вращающего момента в пределах оборота ротора, которая вызывает соответствующую пульсацию частоты вращения. Кроме того, при включении напряжения только на одну катушку при ряде положений ротора может оказать­ся, что момент вращения меньше момента сопротивления и двига­тель вращаться не будет.

Пульсации момента вращения можно существенно умень­шить, расширив зону действия сигнального элемента до . В этом случае через каждые одновременно включены обе фазы на пери­од . Кривая момента представлена на рис.11.2,6. Таким образом обеспечивается достаточно большой пусковой момент при любом положении ротора. Учитывая синусоидальное распределение кривой момента вращения каждой катушки в зависимости от положения ротора, кривую момента можно еще сгладить путем сдвига чувстви­тельных элементов на угол , рис.11.2, в. Проблема пульсаций мо­мента имеет значение только на малых скоростях, особенно для безредукторных приводов.

Формирование кривых фазного напряжения трехфазного вен­тильного электродвигателя с трансформаторными датчиками взаим­ного положения ротора и фаз статора описано в /41/.

При пуске вентильного электродвигателя () по мере разгона ротора появляется и возрастает ЭДС, наводимая в фазах об­мотки статора. Эта ЭДС противодействует напряжению сети, при­ложенному к фазам обмотки статора, и уменьшает ток фаз, что при­водит к снижению вращающего момента. Когда вращающий момент уравновесит момент сопротивления, частота вращения ротора дос­тигнет установившегося значения. Изменения момента сопротивле­ния вызывают соответствующие изменения частоты вращения рото­ра, так же как это происходит в двигателях постоянного тока. Изме­нение частоты вращения ротора приводит к соответствующим изме­нениям частоты переключения транзисторов коммутатора и соответ­ственно к такому же изменению частоты вращения поля статора. Ротор и поле статора имеют одинаковую синхронную частоту вра­щения. Эта частота вращения зависит от значения напряжения, по­даваемого на фазы обмотки статора и от значения статического мо­мента сопротивления.

В /50/ дается следующая зависимость для расчета момента вращения вентильного электродвигателя (все величины берутся в о.е.)

Где - относительное значение питающего напряжения, - относи­тельное значение электромагнитной постоянной времени, - отно­сительное значение угловой частоты вращения ротора, - угол уста­новки ДПР (обычно ).

Уравнение (11.2) наглядно показывает влияние индуктивности обмотки статора на форму механической характеристики. Харак­терным является увеличение нелинейности характеристики с возрас­танием индуктивности обмотки. Если принять = 0, то получим в системе относительных величин уравнение аналогичное основному уравнению исполнительного двигателя постоянного тока (8.25):

Механические характеристики бесконтактного электродвига­теля постоянного тока, рассчитанные по (11.2), представлены на рис.11.3. Как видно в двигательном режиме (1 и 3 - й квадранты) механические характеристики симметричны относительно начала координат и достаточно линейны, причем в тем большей степени, чем меньше . В тормозных режимах (2 и 4 - й квадранты) характе­ристики не линейны и при больших наблюдается неустойчивость.

Штриховыми линиями на рис. 11.3 показана граница устой­чивости при Т_э=1.

Вентильные электродвигатели имеют большую перегрузоч­ную способность (), что объясняется использованием редкоземельных магнитов. Нелинейность механических характери­стик не превышает 10%. В большинстве случаев можно считать, что механические характеристики бесконтактного вентильного электро­двигателя, работающего в двигательном режиме, совпадают с ха­рактеристиками двигателя постоянного тока.