BADANIE
SILNIKA BEZSZCZOTKOWEGO
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
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.