Бесколлекторный двигатель постоянного тока как генератор

Высокоэффективные драйверы для управления электродвигателями

Электродвигатели играют очень важную роль в промышленности. Они используются в вентиляторах, насосах и других электрических машинах в самых разных областях производства. Традиционный AC-двигатель переменного тока, появившийся более ста лет назад, является самыми простым типом электродвигателя, однако его недостатком является высокий уровень потерь. Кроме двигателей переменного тока, существуют и DC-двигатели постоянного тока, которые также широко используются в различных промышленных приложениях. Для управления скоростью вращения DC-двигателя обычно используют модуляцию напряжения питания. Такое управление позволяет сэкономить значительный объем энергии, поскольку двигатель потребляет ровно столько, сколько требуется в данный момент времени.

Особенности электроприводов

Электродвигатель по своей сути является преобразователем, который трансформирует электрическую энергию в механическую. При этом преобразование является двунаправленным, другими словами возможно преобразование механической энергии в электрическую. Машины, выполняющие преобразование механической энергии в электрическую, называют генераторами. Концептуально, а зачастую и практически, генератор и электродвигатель – это одно и то же. Двигатель всегда состоит из двух частей: неподвижной (статор) и подвижной (ротор). Существуют различные типы двигателей, отличающиеся друг от друга способом генерации магнитного поля:

• Двигатели постоянного тока (DC-двигатели): в них статическое поле создается магнитами или обмотками в статоре. DC-двигатели представлены в широком диапазоне напряжений, самые популярные из них 12 В и 24 В.
• Двигатели переменного тока (AC-двигатели): в них динамическое поле формируется взаимодействием между полями, создаваемыми токами статора и ротора. Вращение ротора синхронизировано с частотой питающего тока (синхронный двигатель переменного тока).
• Бесколлекторные двигатели: в них статическое поле создается вращающимися магнитами, которые закреплены на роторе.

В двигателях постоянного тока генерация магнитного поля осуществляется статором. В двигателях малой мощности магниты могут быть постоянными (например, ферритами). В двигателях средней и большой мощности поле генерируется дополнительными обмотками. Мощность подается на ротор с помощью коллекторно-щеточного узла, который состоит из коллектора (контакты, закрепленные на роторе) и щеток (подпружиненные контакты, расположенные на неподвижной части двигателя). Из-за механического воздействия щетки коллектор с течением времени изнашиваются. Тем не менее, современные коллекторы и щетки отличаются высокой надежностью и длительным сроком службы. Скорость DC-двигатели регулируется за счет изменения постоянного напряжения, приложенного к обмотке якоря. В зависимости от мощности и особенностей конкретного приложения для изменения напряжения используют полумостовые и мостовые схемы, управляемые ШИМ-сигналом.

Двигатели постоянного тока также широко используются в сервоприводах, где важны скорость и точность. Для обеспечения требуемой точности и скорости обычно применяют микропроцессорное управление с обратной связью, при этом процессор должен получать точную информацию о положении ротора. В частности, для контроля положения ротора может использоваться датчик Холла MAX9921 от компании Maxim Integrated. Датчик Холла – это датчик, выходное напряжение которого изменяется в соответствии с изменением магнитного поля. Сам датчик состоит из герметичного чувствительного элемента со встроенным магнитом, который обнаруживает изменение потока магнитного поля при приближении и удалении объектов из ферромагнитных материалов.

Датчики Холла идеально работают в широком диапазоне частот от 0 Гц до нескольких кГц. Их часто используют в качестве датчиков приближения, датчиков положения, датчиков скорости и тока. В отличие от механических энкодеров, датчики Холла являются более долговечным решением, так как не имеют проблем, связанных с механическим износом.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока (BLDC-двигатель) представляет собой электродвигатель постоянного тока, состоящий из ротора с постоянными магнитами и статора, формирующего «скользящее» магнитное поле. Очевидно, что в такой системе, в отличие от щеточного двигателя, не требуются коллектор и щетки. С одной стороны это снижает потери на механическое трение и существенно уменьшает вероятность искрения, а с другой стороны значительное упрощает техническое обслуживание электродвигателя.

Схожую конструкцию имеют шаговые двигатели. В них, в отличие от BLDC-двигателей, питание циклически подается на различные электромагниты для вращения или достижения заданного положения вала. В бесколлекторным двигателе ротор не имеет обмоток и вместо них используются постоянные магниты, тогда как магнитное поле, создаваемое обмотками на статоре, является переменным.

При наличии постоянного напряжения питания, для обеспечения вращения магнитного поля, необходима специальная электронная схема, состоящая из блока силовых транзисторов, управляемых микроконтроллером. Транзисторы коммутируют ток, тем самым обеспечивая вращение магнитного поля.

Чтобы определить требуемую ориентацию магнитного поля, микроконтроллер должен знать положение ротора относительно статора. Для этого обычно используют датчики Холла. КПД BLDC-двигателей в среднем выше, чем у асинхронных двигателей постоянного тока (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема управления бексоллекторным двигателем

BLDC-двигатели являются синхронными двигателями. Это означает, что магнитное поле, создаваемое ротором и статором, имеет одинаковую частоту. BLDC-двигатели подразделяются на три категории: однофазные, двухфазные и трехфазные. Количество фаз соответствует количеству обмоток на статоре.

Драйверы электродвигателей

Драйверы электродвигателей используются в широком спектре промышленных и бытовых приложений, в частности, в электронных приборах и различной компьютерной периферии. В каждом конкретном приложении к драйверам предъявляют различные требования. Это касается не только уровня мощности, но и многих других характеристик и функций, например, функции управления скоростью или усилием. Для работы с BLDC-двигателями и шаговыми двигателями можно использовать готовые драйверы, представленные на рынке.

BLDC-двигатели применяются в автоматизации и робототехнике. Их принцип действия основан на взаимодействии двух магнитных полей, которые притягиваясь и отталкиваясь, приводят к вращению двигателя. Шаговые двигатели широко используются в прецизионных приложениях и требуют подачи управляющих импульсов. Серводвигатель представляет собой электромеханическую систему, объединяющую механическую часть и электронику.

Микросхемы драйверов

Разработчики вынуждены постоянно повышать эффективность своих изделий, чтобы обеспечить им конкурентные преимущества на рынке. Роста эффективности можно достичь, например, за счет общего снижения энергопотребления и оптимизации системы отвода тепла. Основная функция системы управления заключается в своевременной и эффективной коммутации обмоток электродвигателя. Коммутации обмоток осуществляются в соответствии с алгоритмами, выполняемыми микроконтроллерами или процессорами. Эти алгоритмы, как правило, очень сложны, поскольку они должны эффективно работать при различных уровнях нагрузки двигателя.

Для упрощения структуры электропривода разработчикам предлагается использовать готовые интегральные решения, которые объединяют МОП-транзисторы и малопотребляющую систему управления со сверхнизким энергопотреблением и различными встроенными функциями, например, функцией контроля тока, защитой от перенапряжений, коротких замыканий и перегрева, а также с функциями диагностики неисправностей.

Драйвер моста MAX14871 предназначен для маломощных приложений с напряжениями питания от 4,5 В до 36 В. Этот драйвер отличается низким потреблением и минимальным числом внешних компонентов. Интегрированная схема управления током имеет три режима регулировки и требует всего нескольких внешних компонентов (рис. 2).

Рис. 2. Блок-схема и схема приложения для MAX14871

Учитывая ужесточение требований к энергосбережению и уменьшению уровня шума, BLDC-двигатели становятся все более востребованными в широком спектре приложений. Для повышения эффективности контроллеры Toshiba используют технологию InPAC (Intelligent Phase Control). Контроллеры с технологией InPAC измеряют разность фаз между током и напряжением и формируют сигнал обратной связи для системы управления электродвигателем для последующего выполнения автоматической регулировки фазы.

Интегральные драйверы Toshiba TC78B0 предназначены для управления скоростью вращения двигателя с помощью ШИМ-сигналов. Эти устройства имеют в своем составе трехфазный драйвер, генератор ШИМ-сигналов, схему защиты от перегрузки по току и схему защиты от перегрева.

Драйвер TC78B015FTG работает с диапазоном питающих напряжений от 6 до 22 В, а драйвер TC78B015AFTG работает с напряжениями питания от 6 до 30 В. Оба устройства обеспечивают выходные токи до 3 А и способны работать с датчиками Холла. Драйверы имеют различные защитные функции, в том числе отключение при перегреве, обнаружение перегрузки по току и обнаружение блокировки двигателя (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема TC78B015FTG

Компания ON Semiconductor предлагает свой драйвер трехфазных BLDC-двигателей STK984-090A. Этот драйвер имеет в своем составе мощные МОП-транзисторы, токоизмерительный резистор и термистор. Кроме того, драйвер имеет ряд защитных функций, в том числе защиту от перегрева, от перегрузки по току, от перенапряжения и от просадок напряжения. При использовании STK984-090A драйвер может быть реализован в виде компактной печатной платы (рис. 4).

Рис. 4. Схема включения для STK984-090A

Texas Instruments предлагает использовать драйверы DRV832x, чтобы уменьшить размеры и вес электроприводов. В этих драйверах применяется интеллектуальная архитектура, которая исключает необходимость использования множества традиционных компонентов. Драйверы DRV832x позволяют управлять током в цепи затвора, а значит и обеспечивать компромиссное и оптимальное соотношение между скоростью, эффективностью и уровнем генерируемых помех. Существуют исполнения этих драйверов со встроенными линейными стабилизаторами и встроенными токовыми датчиками (усилителями тока). Каждая опция доступна в версиях с последовательным диагностическим интерфейсом (рис. 5 и 6).

Рис. 5. Блок-схема DRV8320H

Рис. 6. Схема накачки для DRV832X

Типы электродвигателей

Типы двигателей подразделяются на:

• коллекторные
• бесколлекторные

Коллекторные отличаются от бесколлекторных наличием щеточно-коллекторного узла, а по внешнему признаку двух проводов вместо трех. Экономный вариант от более дорогого бесколлекторного, который способен развить большую скорость и износостойкость.

Вашему вниманию представлен каталог двигателей по типу, серии и ряду:

Электродвигатели постоянного потока отличаются рядом преимуществ. Таких, как:

• компактность (устанавливаются в бытовой технике, трамваях и т.д.);
• экологичность (не выделяют вредных веществ);
• хорошие пусковые свойства;
• низкий уровень шума (отсутствуют вибрации);
• быстрый запуск;
• простота конструкции (снижается вероятность поломки за счет минимального количества узлов);
• легкость в управлении и надежность (служат долговременно, легко запускаются любые типы двигателей);
• отличная регулировка;

Электродвигатель постоянного тока купить вы можете прямо у нас на сайте ТПО «Новокаховского Электромеханического Завода». Мы изготавливаем и поставляем оборудование в Украине. Наши преимущества:

• доступная цена;
• продажа высококачественных товаров;
• обслуживание клиентов на высшем уровне;
• поставка со склада и под заказ.

Устройство и принцип работы

По своему устройству электрические двигатели постоянного тока имеют значительную схожесть с устройствами, работающими посредством переменного тока. В качестве наиболее простого примера такого прибора использовали 1 магнит и соответствующую раму вокруг него, по которой проходило электричество. Современные же модели имеют более совершенную конструкцию, которая все же основана именно на этом принципе.

Главная обмотка электрических устройств представлена якорем, куда питание осуществляется посредством щеточного устройства и коллектора.Последний выполняет вращение в области магнитного поля, что образовывается посредством статора, то есть непосредственно самого корпуса двигателя. Для изготовления якоря используется сразу несколько обмоток. Они укладываются в его стыки, которые закреплены посредством соответствующего состава на основе эпоксида.

Статор крановых двигателей постоянного тока может быть двух типов:

• На основе обмотки возбуждения;
• На постоянном магнитном поле.

Двигатель постоянного тока на 5 кВт является маломощным. В моделях, генерирующих большую мощность часто вместо него используются обмотки возбуждения. С боков статор закрывается заглушками, имеющими вмонтированные подшипники. Функция последних заключается в осуществлении вращения вала якоря. На одном из его концов располагается вентилятор. Он создает соответствующий напор воздуха, который прогоняется через двигатель для создания охладительного эффекта.

Принцип работыоснован на законе Ампера. Если расположить рамку проволочного типа в середине магнитного поля, начинается ее вращение. Проходящий через нее ток начинает создавать соответствующее магнитное поле, которое в свою очередь воздействие на внешнее магнитное поле. Именно это и создает эффект вращения. В современных устройства роль рамки отдана якорю с обмотками.

Обратите внимание! Для того чтобы происходила подача тока через якорь на обмотку, используются специальные щетки. Они выполнены из сплава графита и меди. Продукция Новокаховского электромеханического района не уступает по своему качеству двигателям постоянного тока Siemens.

Управление якорем происходит посредством коллектора. Он выполнен в форме кольца и ламелей, которые закреплены на якоре. При вращении последнего осуществляется подача питания на обмотки посредством ламелей. Вследствие этих действия запускает вращательный эффект, имеющий постоянную скорость. От количества обмоток якоря зависит равномерная работа двигателя.

Обслуживание устройства

Наиболее уязвимой частью двигателя является его щеточный узел. Го щеточки по время функционирования устройства притираются к коллектору, таким образом повторяя его форму. Вследствие этого происходит постоянно прижатие с соответствующим усилием. Из-за этого щетки медленно изнашиваются, вырабатывая такой продукт, как токопроводящая пыль. Она в итоге оседает на разнообразных деталях мотора. Чтобы не провоцировать сбои в работе, ее время от времени нужно удалять. Для этого следует создавать высокое давление, под которым она покидает внутреннюю часть конструкции.

Таким образом, щетки необходимо периодически перемещать в пазах и продувать их посредством воздуха под высоким давление. Это позволяет избавляться от накопившейся на них токопроводящей пыли. Когда щетки приходят в негодность, следует проводить их замену. В тех местах, где коллектор контактирует с ними, также происходит и его износ. В этом случае следует снять якорь. Затем проводится протачивание коллектора на специальном станке. После этого происходит протока изоляции, которая располагается между ламелями. Это делается для сохранности работоспособности щеток. Связано это с тем что ее прочность гораздо больше чем прочность самих щеток.