BADANIE SILNIKA BEZSZCZOTKOWEGO

 

Wprowadzenie

 

Wzrost zainteresowania silnikami bezszczotkowymi wiąże się ze zwiększającymi się możliwościami energoelektronicznych układów zasilających oraz rozwojem technologii wysokoenergetycznych magnesów trwałych. Obecnie stosuje się silniki o magnesach trwałych w coraz szerszym przedziale mocy: od mikromaszyn, stosowanych np. w sprzęcie komputerowym oraz w motoryzacji, do maszyn o mocy setek kilowatów a nawet kilku megawatów.

Silnik bezszczotkowy jest w istocie maszyną prądu stałego ze wzbudzeniem magnetoelektrycznym, w której odwrócono rolę stojana i wirnika. Ponadto komutator mechaniczny został zastąpiony falownikiem tranzystorowym, sterowanym za pomocą czujnika położenia wirnika. Trójfazowe uzwojenie twornika umieszczone jest w żłobkach stojana, podobnie jak w silniku indukcyjnym.

Bezszczotkowe silniki z magnesami trwałymi dzielą się na dwie odmiany konstrukcyjne różniące się zasadniczo rozkładem indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej oraz przebiegami prądu i siły elektromotorycznej SEM:

·        bezszczotkowe silniki prądu przemiennego (BSPP) lub silniki synchroniczne o magnesach trwałych (SSMT) – silniki z sinusoidalnym przebiegiem SEM;

·        bezszczotkowe silniki prądu stałego (BSPS) – silniki z trapezoidalnym przebiegiem SEM.

Żądane przebiegi SEM uzyskuje się przez odpowiednie rozmieszczenie uzwojeń w żłobkach stojana i ukształtowanie rozkładu pola magnesów w szczelinie powietrznej. W zależności od charakteru rozkładu pola w szczelinie powietrznej wykorzystuje się różne sposoby śledzenia położenia wirnika. W silnikach z rozkładem trapezoidalnym stosowany jest dyskretny, (co 60° elektrycznych) sposób pomiaru położenia, natomiast w silnikach z rozkładem sinusoidalnym niezbędny jest ciągły pomiar położenia wirnika realizowany zwykle za pomocą resolvera lub impulsatora. Silniki bezszczotkowe zasilane są za pomocą układów elektronicznych o różnych strukturach.

 

W ćwiczeniu należy zbadać układ napędowy z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego.

 

Konstrukcja silnika

 

Rozpatrywany silnik ma 24 żłobki w stojanie. Trójfazowe uzwojenie stojana jest połączone w gwiazdę. Wirnik silnika wykonany jest w postaci żelaznego walca, na którym przyklejono neodymowe magnesy. Informację o położeniu wirnika względem stojana uzyskuje się z trzech transoptorów odbiciowych umieszczonych równomiernie, co 120° na stojanie silnika. Transoptory te współpracują z tarczą umieszczoną na wale wirnika. Położenie tarczy można zmieniać i w ten sposób można ustalić najlepszy kąt przełączania pasm uzwojeń.

 

Falownik do silnika bezszczotkowego

 

Falownik przeznaczony jest do zasilania silnika bezszczotkowego wyposażonego w optyczne czujniki położenia wirnika. Falownik ma następujące wejścia sterujące:

-         prędkością – (SPEED) zewnętrzny potencjometr 10k liniowy (A)

-         hamowaniem (BRAKE) sygnał TTL – ustawiony wewnętrznie (jamper)

-         kierunkiem wirowania (DIR) sygnał TTL

-         sposobem zaniku prądu (MODE) sygnał TTL

-         hamowaniem po wyłączeniu zasilania (BRKSEL) sygnał TTL

-         zerowaniem (RESET) – ustawiony wewnętrznie (jamper)

-         uruchamianiem START – po zawarciu zewnętrznego wyłącznika

 

 

Schemat blokowy układu napędowego

 

 Podstawowe parametry techniczne falownika

 

Układ sterowania

 

Rozpatrywany układ napędowy z silnikiem bezszczotkowym jest układem otwartym, prędkość obrotowa zależy jedynie od sygnału sterującego i obciążenia. Jedyną pętlą sprzężenia jest pętla prądowa zabezpieczająca układ elektroniczny przed zniszczeniem i silnik przed przegrzaniem. Zastosowanie tej pętli pozwala na pracę silnika przy zatrzymanym wirniku. Założono, że napęd ma pracować nawrotnie oraz powinien mieć wejście sterujące szybkim hamowaniem silnika. Analogowe wejście speed służy do zadawania żądanej prędkości silnika. W modulatorze PWM napięcie z tego wejścia porównywane jest z przebiegiem piłokształtnym i w wyniku tego porównania opracowany jest sygnał wyjściowy modulatora dostarczany do stopnia mocy układu. Do drugiego wejścia modulatora podłączony jest sygnał informujący o poziomie prądu w uzwojeniu silnika. W przypadku przekroczenia nastawionej wartości prądu modulator PWM zwęża impulsy wyjściowe i stabilizuje prąd w silniku. Wejście dir służy do zmiany kierunku wirowania silnika, zaś reset do zerowania układu logiki i wyłączenia silnika. Wejście brake służy do hamowania. Przy aktywnym tym wejściu tranzystory górne stopnia mocy znajdują się w stanie przewodzenia i wówczas uzwojenia silnika zostają zwarte. Zwarcie uzwojeń przy ruchu silnika powoduje duże prądy wywołane napięciem rotacji i szybkie hamowanie silnika. Wejście brsel określa zachowanie się napędu po zaniku napięcia zasilającego. W zależności od stanu tego wejścia silnik może po zaniku zasilania zatrzymywać się w sposób naturalny – z wybiegiem lub może być hamowany przez zwarcie uzwojeń. W zależności od stanu wejścia mode zanik prądu w wyłączanej części uzwojenia może odbywać się przez źródło zasilania lub w obwodzie zawierającym oprócz uzwojenia dwa dolne tranzystory stopnia mocy.

 

Przebieg ćwiczenia

 

1.      Zapoznanie się z badanym układem napędowym.

 

2.      Rejestracja sygnałów sterujących

 

 

 

H1, H2, H3 – sygnały z transoptorów.

Y1, Y2, Y3 – sygnały z transoptorów po wzmocnieniu.

PWM – sygnał sterujący mostkiem.

Us – napięcie sterujące.

S1, S2, S3 – napięcia faz silnika.

 

3.      Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej – zależności prędkości obrotowej silnika od napięcia sterującego.

 

4.      Badanie układu przy różnym sposobie hamowania.

 

5.      Wnioski.