Silnik z komutatorem elektronicznym

20

Ć

WICZENIE 3 – SILNIK Z KOMUTATOREM ELEKTRONICZNYM

Wprowadzenie

Wady komutatora mechanicznego zadecydowały o rozwoju silników z komutato-

rem elektronicznym. Silniki tego typu są obecnie powszechnie stosowane w napędach

wymagających stabilizacji bądź regulacji prędkości obrotowej, takich jak: urządzenia

komputerowe, sprzęt wideofoniczny, samochodowe urządzenia elektromechaniczne,

sprzęt gospodarstwa domowego, urządzenia

przemysłowe,

w

robotyce

i

manipulatorach do napędu wind, pojazdów transportowych i innych. Silnik z

komutatorem elektronicznym może zastąpić każdą dotychczas stosowaną maszynę

elektryczną, stąd uważany jest za napęd przyszłościowy.

Silnik z komutacją elektroniczną ma budowę odwróconą w stosunku do silnika

prądu stałego. Na wirniku są umieszczone magnesy trwałe, a na stojanie uzwojenie

twornika, które może być skupione lub rozłożone w żłobkach na wewnętrznej

powierzchni cylindra stojana. W typowych rozwiązaniach wirnik z magnesami

trwałymi jest elementem wewnętrznym. Zdarzają się jednak maszyny o budowie

odwróconej, co wynika najczęściej z mechanicznego scalenia silnika z urządzeniem

napędzanym. Budowę taką mają m.in. mikrosilniki wentylatorów. Umieszczenie

magnesu trwałego na piaście wentylatora pozwala scalić konstrukcję silnika z

wentylatorem.

Uzwojenie skupione stosuje się zwykle w silnikach małej mocy. Wyróżnić tu

można dwa typy uzwojenia:

−

uzwojenie trójpasmowe,

−

uzwojenie dwupasmowe.

Uzwojenia te pod względem elektromagnetycznym są sobie równoważne, gdyż

można wzbudzić w szczelinie silnika sinusoidalny bądź trapezowy rozkład pola

magnetycznego za pomocą tak trój-, jak i dwupasmowego uzwojenia.

W zakresie większych mocy standardowe jest uzwojenie trójpasmowe. Budowa

silnika z uzwojeniem trójpasmowym jest pod względem magnetycznym identyczna jak

Silnik z komutatorem elektronicznym

21

silnika prądu stałego o trzech działkach komutatora (K = 3), natomiast konstrukcyjnie

wirnik i stojan są ze sobą zamienione.

Silniki najmniejszej mocy wykonuje się z dwupasmowym uzwojeniem twornika

A,B. Są one stosowane w napędach nie wymagających precyzyjnej regulacji prędkości

obrotowej bądź położenia, jak np. napęd wentylatorów w urządzeniach komputero-

wych i elektronicznych.

Komutacja elektroniczna polega na zastąpieniu komutatora mechanicznego i

szczotek układem energoelektronicznym. Budowa silnika z komutacją elektroniczną o

trzech pasmach uzwojenia o liczbie biegunów 2p = 2 jest pokazana na rys. 3.1, zaś

sposoby sterowania komutatorem elektronicznym silnika bezszczotkowego prądu stałe-

go można zilustrować w oparciu o obwód elektromagnetyczny tegoż silnika (rys. 3.2).

Celem

sterowania

komutatorem

elektronicznym

jest

utrzymanie

kąta

2

π

=

α

między strumieniem wzbudzenia

f

Φ

i sumarycznym przepływem twornika

a

Θ

:

(

)

2

,

a

f

π

=

∠

=

Θ

Φ

α

(3.1)

4

3

2

1

2

5

1

4

3

Rys. 3.1. Silnik z komutacją elektroniczną o trzech zębach twornika: 1 – korpus, 2 – jarzmo twornika,

3 – magnes trwały, 4 – uzwojenie, 5 – czujnik halotronowy

Silnik z komutatorem elektronicznym

22

i

B

C

i

A

i

A

B

C

oś pasma

"A"

oś N-S

m

a

f

Rys. 3.2. Obwód elektromagnetyczny silnika bezszczotkowego prądu stałego

Tylko przy

2

π

=

α

można mówić o silniku bezszczotkowym prądu stałego, gdyż

tylko wówczas stan elektromagnetyczny silnika jest identyczny jak w silniku

komutatorowym prądu stałego. Wektor strumienia wzbudzenia

f

Φ

wiruje z prędkością

kątową

ω

,

zatem z taką samą prędkością kątową powinien wirować wektor przepływu

twornika

a

Θ

. Utrzymywanie kąta

2

π

=

α

między wektorami

f

Φ

i

a

Θ

jest zadaniem

komutatora elektronicznego (rys.3.3). Komutator elektroniczny realizuje to zadanie

poprzez regulację prądu w pasmach uzwojenia stojana A,B i C. Jak wiadomo w teorii

pola wirującego położenie osi przepływu wypadkowego

a

Θ

zależy od wartości

chwilowych prądu w pasmach uzwojenia i

a

, i

b

i i

c

. Odwracając tę zasadę oznacza to, że

jeśli wiemy, jakie ma być położenie wektora

a

Θ

(a narzuca je położenie wektora

f

Φ

),

to komutator elektroniczny musi dopasować do tego położenia wartości chwilowe

prądów i

a

, i

b

i i

c

. Zatem warunkiem koniecznym poprawnego sterowania komutatorem

elektronicznym jest ciągła obserwacja położenia wektora

f

Φ

. Zadanie to realizowane

jest przez enkodery.

Silnik z komutatorem elektronicznym

23

U

+

Enkoder

M

-

Rys. 3.3. Komutator elektroniczny – trójfazowy mostek tranzystorowy do zasilania bezszczotkowego

silnika prądu stałego

Sterowanie komutatorem elektronicznym

Stosowane są dwa sposoby sterowania komutatorem elektronicznym:

−

sterowanie trapezowe,

−

sterowanie sinusoidalne.

Sterowanie trapezowe

Sterowanie trapezowe polega na tym, że przy pasmach uzwojenia połączonych w

gwiazdę, prąd płynie tylko w dwóch pasmach uzwojenia, w trzecim prąd jest równy

zero (rys. 3.4).

A

B

C

U

+

-

Silnik z komutatorem elektronicznym

24

Rys. 3.4. Sterowanie trapezowe komutatorem elektronicznym; A,B,C – trójpasmowe uzwojenie silnika

Zasilanie poszczególnych pasm jest sekwencyjnie przełączane zgodnie z

wirowaniem wektora

f

Φ

. Taki sposób sterowania powoduje, że prąd płynie tylko w

dwóch pasmach uzwojenia. Przy przełączeniu prądu z jednego pasma na drugie

następuje zmiana położenia wektora przepływu

a

Θ

.

Tak więc kąt

α

zmienia się w

czasie tak jak to pokazano na rys.3.5.

π

t

k

2

t

k+1

t

0

Rys. 3.5. Kąt

α

między wektorami

f

Φ

i

a

Θ

przy sterowaniu trapezowym

Funkcję zmiany kąta w czasie można także zapisać analitycznie

1

k

k

k

1

k

k

t

t

t

t

t

t

t

t

+

+

<

<

−

−

−

=

dla

π

3

1

π

3

2

)

(

α

.

(3.2)

Wartość średnia kąta

α

(t)

∫

+

=

−

=

=

+

1

k

k

t

t

k

1

k

t

t

t

t

t

2

π

d

)

(

1

)

(

av

α

α

α

.

(3.3)

Sterowanie trapezowe utrzymuje więc wartość średnią kąta między wektorami

a

Θ

i

f

Φ

równą

2

π

. Prostota tego sterowania polega na tym, że enkoder sterujący pracą

komutatora elektronicznego wskazuje chwilę, kiedy na dane pasmo uzwojenia należy

Silnik z komutatorem elektronicznym

25

załączyć napięcie. Wyłączenie napięcia następuje w chwili załączenia napięcia na

kolejne pasmo. Enkoder pracuje więc jak przekaźnik (zero, jeden). Przykład takiego

sterowania pokazano na rys. 3.6. Jako enkodery zastosowano halotrony.

Klucze elektroniczne są sterowane sygnałem napięciowym z sensora halotrono-

wego H umieszczonego na stojanie w pobliżu wirującego magnesu trwałego wirnika

N-S. Gdy koniec nabiegający bieguna N magnesu trwałego pokryje się z osią położenia

halotronu H

A

, wówczas sensor halotronowy przekaże sygnał do załączenia kluczy V1,

V3. Jest to oś załączenia napięcia na pasmo A uzwojenia. Wyłączenie występuje, gdy

kraniec zbiegający bieguna N magnesu trwałego przekroczy oś halotronu H

A

.

Załączanie i wyłącznie kluczy V2, V4 odbywa się podobnie.

N

U

+ -

B

H

S

pasma A

i wyłączania

oś załączania

a)

V3

H

A

V4

S

m

N

V1

V2

A

V5 V6 V7 V8

B

Silnik z komutatorem elektronicznym

26

V

6

;V

8

1

1

V

5

;V

7

1

V

2

;V

4

0

π

1

b)

V

1

;V

3

π

2

Kąt obrotu

0

π

π

2

Kąt obrotu

Kąt obrotu

0

π

π

2

0

π

Kąt obrotu

π

2

Rys. 3.6. Silnik dwufazowy z komutatorem elektronicznym: a) schemat elektryczny, b) histogram

załączania kluczy elektronicznych

Sterowanie sinusoidalne

Sterowanie sinusoidalne polega na tym, że kąt między wektorami

f

Φ

i

a

Θ

ma

wartość stałą równą

2

π

. Aby takie sterowanie można było realizować, należy śledzić w

sposób ciągły położenie wektora

f

Φ

. Chwilowa wartość prądu w poszczególnych

pasmach uzwojenia musi być tak regulowana, aby uzyskiwać pożądane położenie

wektora

a

Θ

. Enkoder realizujący to zadanie jest układem bardziej złożonym,

a komutator elektroniczny musi realizować kluczowanie tranzystorów w systemie

modulacji szerokości impulsów, aby np. przy stałej prędkości wirowania wirnika

(

ω

m

= const) wartości średnie prądów w pasmach uzwojenia zmieniały się

sinusoidalnie.

Silnik z komutatorem elektronicznym

27

Enkodery

Do sterowania komutatorem elektronicznym stosowane są trzy typy enkoderów:

halotronowe, optoelektroniczne i elektromagnetyczne. Enkoder elektroniczny działa na

zasadzie wirującej tarczy z elementami bądź to przepuszczającymi światło (jedno

rozwiązanie), bądź je odbijającymi. Światło to wysterowuje następnie fototranzystor.

Ś

wiatło generowane jest np. przez fotodiodę. Enkoder elektromagnetyczny to np.

resolwer. Najprostszym enkoderem jest enkoder halotronowy omówiony poniżej.

Enkoder halotronowy

Składa się z nieruchomej tarczy, na której przymocowane są halotrony. Liczba

halotronów jest równa liczbie pasm uzwojenia. Halotrony są rozmieszczone

symetrycznie na obwodzie na średnicy magnesów trwałych, kąt między halotronami

wynosi

p

3

π

2

. Tarcza halotronowa jest umieszczona w pobliżu wirnika tak, aby pole

magnetyczne rozproszenia magnesów trwałych przenikało przez halotrony. Pole to

wysterowuje halotron, który przekazuje sygnał do połączonego z nim klucza

energoelektronicznego. Jest to najprostszy typ enkodera pracującego w systemie (0;1),

który realizuje sterowanie trapezowe komutatora elektronicznego. W silnikach małej

mocy stosowany jest powszechnie. W silnikach większej mocy pracujących przy

dużych przeciążeniach prądowych staje się zawodny, gdyż jego pracę zakłóca pole

magnetyczne rozproszenia generowane przez czoła uzwojenia stojana. Konsekwencją

tego może być błędne wysterowanie zaworów energoelektronicznych i zwarcia w

układzie.

Modyfikację tego rozwiązania można zrealizować poprzez ekranowanie

halotronów od pola rozproszenia czół uzwojenia stojana. Innym rozwiązaniem jest

wzbudzenie halotronów z dodatkowych magnesów trwałych o liczbie biegunów

równej liczbie biegunów silnika.

Silnik z komutatorem elektronicznym

28

Opis stanowiska laboratoryjnego

Stanowisko laboratoryjne składa się z silnika z komutatorem elektronicznym z

wbudowanym bocznikiem i układem obciążającym (rys. 3.7).

W ćwiczeniu wykorzystano silnik wentylatora typu KDE1209PTs1-6 o danych

znamionowych:

U

N

= 12 V, P

N

= 2,8 W, (M

N

≈ 7 mN·m, I

N

≈ 260 mA, n

N

≈ 3600 obr/min), z halotrono-

wym czujnikiem położenia wirnika.

Schemat poglądowy stanowiska przedstawiono na rys. 3.7.

Silnik zasilany jest z zasilacza prądu stałego o regulowanym napięciu

wyjściowym. Rezystor R

b

w obwodzie badanego silnika służy do rejestracji

oscylograficznej prądu silnika. Prędkość obrotową mierzy się stroboskopem lub

oblicza, mierząc czas, przez który jest zasilane pojedyncze uzwojenie silnika (uwaga:

należy uprzednio sprawdzić liczbę biegunów magnesu za pomocą folii magnetycznej).

Na osi silnika (1) umocowana jest lekka aluminiowa tarcza (2). Zewnętrzne obciążenie

stanowi ułożyskowana tarcza z magnesu trwałego (3) z przymocowanymi do niej

dwoma ciężarkami (5) i wskazówką (4). Obracająca się wraz z silnikiem tarcza

aluminiowa przecina linie sił pola magnetycznego pochodzącego od magnesu

trwałego, przy czym natężenie pola magnetycznego zmienia się, oddalając lub

przybliżając magnes. W tarczy indukują się prądy wirowe, stanowiące źródło momentu

hamującego silnik. Jeden z ciężarków (5) można przesuwać w osi prostopadłej do osi

obrotu tarczy (6). Jeśli beleczka z ciężarkami będzie znajdować się w położeniu

równowagi, to wychodząc z równania równowagi momentów można obliczyć moment

obciążenia silnika.

Masa ciężarka wynosi 17 g.

Silnik z komutatorem elektronicznym

29

2

3

4

5

6

1

A

U

b

R

V

Osc

n

Obciążenie

M

5

Rys. 3.7. Układ do pomiaru charakterystyk elektromechanicznych silnika z komutatorem elektronicz-

nym: 1 – wałek, 2 – tarcza aluminiowa, 3 – tarcza z magnesu trwałego, 4 – wskazówka,
5

−

ciężarki, 6 – oś obrotu

Program ćwiczenia

1) Oględziny silnika

Przeprowadza się oględziny kilku silników z komutatorem elektronicznym.

2) Pomiar charakterystyk biegu jałowego P

0

, I

0

, n = f(U).

Zmieniając napięcie zasilania od 0 do U

N

co 2 V, należy zmierzyć:

−

prąd pobierany przez silnik,

−

prędkość obrotową silnika.

Obliczyć moc pobieraną przez silnik.

3) Pomiar charakterystyk mechanicznych silnika

Obciążając silnik hamulcem z magnesem trwałym mierzy się charakterystykę

I, M = f(n) dla kilku różnych napięć zasilania.

4) Oscylogramowanie prądu twornika

Należy obejrzeć na oscyloskopie i zarejestrować na papierze przebieg czasowy

prądu twornika:

−

w stanie ustalonym,

−

przy pobudzeniu silnika jednostkowym skokiem napięcia,

Silnik z komutatorem elektronicznym

30

−

przy nagłej zmianie obciążenia.

Ocenić jakość komutacji.

5) Oscylogramowanie napięcia na pojedynczym uzwojeniu

Zasilić silnik napięciem znamionowym, obejrzeć na oscyloskopie i zarejestrować

przebieg napięcia na uzwojeniu.