бесколлекторный двигатель

Содержание
  1. Немного терминологии
  2. Недостатки [ править]
  3. Управление БДПТ
  4. Почему дроны и вертолеты используют именно BLDC двигатели?
  5. Описание и принцип работы
  6. Устройство БКЭПТ
  7. Преимущества двигателей BLDC:
  8. Н-мост
  9. Особенности применения двигателей BLDC:
  10. Принцип работы БДКП
  11. Как запустить бесколлекторный двигатель?
  12. Как выбрать контроллер для электровелосипеда?
  13. Недостатки бесколлекторных двигателей постоянного тока
  14. Очень высокая сложность управления
  15. Высокая цена
  16. Необходимость специализированных передач
  17. Применение
  18. Как работает коллекторная машина
  19. Пример использования
  20. Часто задаваемые вопросы
  21. Аккумуляторы RedLithium
  22. Аккумуляторы M12
  23. Аккумуляторы M18
  24. Моторы по производителям [ править]
  25. Теги
  26. Тестирование работы схемы
  27. Схемы частотных преобразователей для трехфазных двигателей
  28. Трехфазные бесколлекторные электродвигатели
  29. Крепеж двигателя
  30. Преимущества использования

Немного терминологии

Бесколлекторные двигатели постоянного тока называют так же вентильными, в зарубежной литературе BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Обращаю Ваше внимание на то, что в коллекторном двигателе наоборот, обмотки находятся на роторе. Поэтому, далее в тексте ротор — магниты, статор — обмотки.

Brushless

Для управления двигателем применяется электронный регулятор. В зарубежной литературе Speed Controller или ESC (Electronic speed control).

Недостатки[править]

  • Относительно сложная система управления двигателем.
  • Относительно высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих материалов в конструкции ротора (магниты, подшипники).
  • Из-за открытого дизайна, двигатели очень чувствительны к магнитящейся пыли. Даже небольшого количества достаточно, чтобы облепить магниты ротора, засорить магнитный промежуток и заклинить мотор.

Управление БДПТ

регулятор оборотов, контроллер двигателя, драйвер двигателя

Регулятор оборотов, внешний вид

Для управления бесколлекторным двигателем используется специальный контролер — регулятор скорости вращения вала двигателя постоянного тока. Его задачей является генерация и подача в нужный момент на нужную обмотку необходимого напряжения. В контроллере для приборов с питанием от сети 220 В чаще всего используется инверторная схема, в которой происходит преобразование тока с частотой 50 Гц сначала в постоянный ток, а затем в сигналы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Для подачи питающего напряжения на обмотки статора используются мощные электронные ключи на биполярных транзисторах или других силовых элементах.

Регулировка мощности и числа оборотов двигателя осуществляется изменением скважности импульсов, а, следовательно, и действующим значением напряжения, подаваемого на обмотки статора двигателя.

принципиальная схема регулятора оборотов

Принципиальная схема регулятора оборотов. К1-К6 — ключи D1-D3 — датчики положения ротора (датчики Холла)

Важным вопросом является своевременное подключение электронных ключей к каждой обмотке. Для обеспечения этого контроллер должен определять положение ротора и его скорость. Для получения такой информации могут быть использованы оптические или магнитные датчики (например, датчики Холла), а также обратные магнитные поля.

Более распространено использование датчиков Холла, которые реагируют на наличие магнитного поля. Датчики размещаются на статоре таким образом, чтобы на них действовало магнитное поле ротора. В некоторых случаях датчики устанавливают в устройствах, которые позволяют изменять положение датчиков и, соответственно, регулировать угол опережения (timing).

Регуляторы оборотов вращения ротора очень чувствительны к силе тока, проходящего через него. Если вы подберете аккумуляторную батарейку с большей выдаваемой силой тока, то регулятор сгорит! Правильно подбирайте сочетания характеристик!

Почему дроны и вертолеты используют именно BLDC двигатели?

Сейчас существует множество различных типов дронов – с двумя лопастями, с четырьмя лопастями и т.д. Но все они используют именно BLDC двигатели. Почему именно их, ведь BLDC двигатели стоят дороже чем обычные электродвигатели постоянного тока?

Внешний вид бесколлекторного электродвигателя постоянного тока A2212/13T

Существует несколько причин для этого:

  • большой крутящий момент, который очень важен для того чтобы оторвать летающее средство от земли;
  • эти двигатели доступны в формате OutRunner, что позволяет обойтись без сцепления в конструкции дрона;
  • маленький уровень вибраций во время работы, что очень важно для неподвижного зависания дрона в воздухе;
  • хорошее соотношение мощности к весу двигателя. Это очень важно для использования на летающих механизмах чтобы все элементы его конструкции имели как можно меньший вес. Обычный двигатель постоянного тока, обеспечивающий такой же крутящий момент как и BLDC двигатель, будет как минимум в два раза тяжелее него.

Описание и принцип работы

Бесщеточный (бесколлекторный) двигатель постоянного тока очень похож на двигатель постоянного тока с постоянными магнитами, но не имеет щеток для замены или износа из-за искрения коммутатора.

Поэтому в роторе выделяется мало тепла, что увеличивает срок службы двигателей.

Конструкция бесщеточного двигателя устраняет необходимость в щетках благодаря более сложной схеме привода, в которой магнитное поле ротора является постоянным магнитом, который всегда синхронизирован с полем статора, что позволяет более точно контролировать скорость и крутящий момент.

Управление бесщеточными двигателями постоянного тока очень отличается от обычного щеточного двигателя постоянного тока тем, что этот тип двигателя включает в себя некоторые средства для определения углового положения роторов (или магнитных полюсов), необходимые для получения сигналов обратной связи, необходимых для управления переключением полупроводников. Появление процессорной техники и силовых транзисторов позволило конструкторам отказаться от узла механической коммутации и изменить роль ротора и статора в электромоторе постоянного тока.

Устройство БКЭПТ

Схему расположения магнитов внутри статора обычно применяют для двухфазных двигателей с небольшим количеством полюсов. Принцип крутящего момента вокруг статора применяют при необходимости получить двухфазный двигатель с небольшими оборотами.

8 магнитов, формирующих 4 полюсаНа роторе расположены четыре полюса. Магниты в форме прямоугольника устанавливаются, чередуя полюсы. Однако не всегда количество полюсов равняется числу магнитов, которых может быть 12, 14. Но количество полюсов должно быть четным.Несколько магнитов могут составлять один полюс.

На картинке изображено 8 магнитов, формирующих 4 полюса. Момент силы зависит от мощности магнитов.

Преимущества двигателей BLDC:

  • высокая эффективность;
  • отсутствие щеток, обеспечивающее повышенную надежность, снижение затраты на обслуживание;
  • линейность тока/крутящего момента;
  • упрощенный отвод тепла.

Н-мост

Составление электроэлементов соответствующим образом (по типу Н-моста) позволит управлять мотором в обе стороны. H-мост представлен на чертеже:

Где INA, INB — входные сигналы управления;

VCC — электропитание моторов, в несколько раз превышающее напряжения управляющего сигнала;

GND — общая земля.

При подаче положительного сигнала на один из входов, электродвигатель будет вращаться в ту или иную сторону. Обычно, схема драйвера кроме H-моста, дополняется защитными диодами, фильтрами, опторазвязками и другими улучшениями. Самым популярным чипом драйвером является IR2110.

Особенности применения двигателей BLDC:

  • более сложная система управления с обратной связью по положению ротора;
  • пульсации крутящего момента.

Принцип работы БДКП

Безщеточный двигатель принцип работы - изображение 39

В бесколлекторном электродвигателе роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь. Это позволяет осуществить «вывернутая наизнанку» схема БДКП — его обмотки расположены на статоре, что исключает необходимость в коллекторе.

Иными словами, основное принципиальное различие между классическим двигателем и БДКП в том, что вместо стационарных магнитов и вращающихся катушек последний состоит из неподвижных обмоток и вращающихся магнитов. Несмотря на то что сама коммутация в нём происходит похожим образом, её физическая реализация в бесщёточных приводах гораздо более сложна.

Как запустить бесколлекторный двигатель?

Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.

Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизмаРис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма

Собирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:

  • Максимально допустимая сила тока, эта характеристика приводится для штатного режима работы устройства. Довольно часто производители указывают такой параметр в названии модели (например, Phoenix-18). В некоторых случаях приводится значение для пикового режима, который контролер может поддерживать несколько секунд.
  • Максимальная величина штатного напряжения для продолжительной работы.
  • Сопротивление внутренних цепей контроллера.
  • Допустимое число оборотов, указывается в rpm. Сверх этого значения контроллер не позволит увеличить вращение (ограничение реализовано на программном уровне). Следует обратить внимание, что частота вращения всегда приводится для двухполюсных приводов. Если пар полюсов больше, следует разделить значение на их количество. Например, указано число 60000 rpm, следовательно, для 6-и магнитного двигателя частота вращения составит 60000/3=20000 prm.
  • Частота генерируемых импульсов, у большинства контролеров этот параметр лежит в пределах от 7 до 8 кГц, более дорогие модели позволяют перепрограммировать параметр, увеличив его до 16 или 32 кГц.

Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.

Как выбрать контроллер для электровелосипеда?

На контроллере, как правило, имеется маркировка с основными его параметрами: номинальное рабочее напряжение, максимальный батарейный ток, иногда указывается номинальная мощность электродвигателя для которого этот контроллер предназначен. Например, если на контроллере имеется вот такая маркировка,

то это означает, что этот контроллер для бесщеточного электродвигателя номинальной мощностью 350Вт, предназначен для подключения к батарее номинальным напряжением 36В (максимальное напряжение около 44В); минимальное напряжение батареи, при котором контроллер отключится 31,5В; максимальный батарейный ток 25А. Датчики Холла должны быть расположены в электродвигателе через 60, либо 120 электрических градусов. Чтобы определить мощность контроллера нужно умножить максимальное напряжение на максимальную силу тока, в результате получим максимальную мощность контроллера, т.е. 44В*25А=1100Вт. Разброс по мощности контроллеров очень широк, для электровелосипедов обычно применяются контроллеры номинальной мощностью от 350-2кВт, для электроскутеров 1-4кВт, электромотоциклов 5-10кВт, электромобилей 10-50кВт и более.

Контроллер, предназначенный для работы с 36В батареей нельзя подключать к более высоковольтным батареям, сначала нужно вскрыть контроллер и убедиться, что установленные внутри силовые транзисторы и конденсаторы рассчитаны на такое напряжение, также может потребоваться замена резистора в делителе напряжения. Так что без опыта работы с паяльником лучше не экспериментировать. Существуют универсальные контроллеры с широким диапазоном входного напряжения, например 48-72В, или даже 24-100В.

Недостатки бесколлекторных двигателей постоянного тока

Очень высокая сложность управления

Бесколлекторные двигатели постоянного тока для правильной работы требуют специализированных контроллеров и сложных алгоритмов управления.

Высокая цена

Стоимость самих двигателей не слишком высока, но когда добавляется стоимость контроллера, общая стоимость использования бесколлекторного двигателя постоянного тока в проекте становится относительно высокой.

Необходимость специализированных передач

В таких приложениях, как вакуумные пылесосы Dyson, бесколлекторные двигатели постоянного тока должны быть снабжены передачей для преобразования высоких скоростей до нужной скорости.

Применение

Области применения БДТП следующие:

  • создание моделей;
  • медицина;
  • автомобилестроение;
  • нефтегазовая промышленность;
  • бытовые приборы;
  • военная техника.

автомодельИспользование БД для авиамоделей дает значительное преимущество по мощности и габаритам. Сравнение обычного коллекторного двигателя типа Speed-400 и БДТП того же класса Astro Flight 020 показывает, что двигатель первого типа имеет кпд 40-60%. Кпд второго двигателя в тех же условиях может достигать 95%. Таким образом, использование БД позволяет увеличить почти в 2 раза мощность силовой части модели или время ее полета.

Благодаря малому шуму и отсутствию нагревания при работе БДПТ широко используются в медицине, особенно в стоматологии.

В автомобилях такие двигатели используются в подъемниках стекол, электростеклоочистителях, омывателях фар и электрорегуляторах подъема кресел.

Отсутствие коллектора и искрения щеток позволяет использовать БД в качестве элементов запорных устройств в нефтегазовой промышленности.

В качестве примера использования БД в бытовой технике можно отметить стиральную машину с прямым приводом барабана компании LG. Эта компания использует БДТП типа Outrunner. На роторе двигателя имеется 12 магнитов, а на статоре – 36 катушек индуктивности, которые намотаны проводом диаметром в 1 мм на сердечники из магнитопроводящей стали. Катушки соединены последовательно по 12 штук в фазе. Сопротивление каждой фазы равно 12 Ом. В качестве датчика положения ротора используется датчик Холла. Ротор двигателя крепится к баку стиральной машины.

Винчестер, жесткий диккПовсеместно данный двигатель используется в жестких дисках для компьютеров, что делает их компактными, в CD и DVD приводах и системах охлаждения для микро-электронотехнических устройств и не только.

Наряду с БД малой и средней мощности в промышленности с тяжелыми условиями работы, судовой и военной промышленностях все больше используются большие БДПТ.

БД большой мощности разработаны для американских ВМС. Например, компания Powertec разработала БДТП мощностью 220 кВт со скоростью в 2000 об/мин. Момент двигателя достигает 1080 Нм.

Кроме указанных областей, БД применяются в проектах станков, прессов, линий для обработки пластмасс, а также в ветроэнергетике и использовании энергии приливных волн.

Как работает коллекторная машина

Чтобы произвести запуск коллекторного двигателя, потребуется подать напряжение на обмотку возбуждения, которая расположена непосредственно на якоре. При этом образуется постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами на статоре, в результате чего проворачиваются якорь и коллектор, закрепленный на нём. При этом подается питание на следующую обмотку, происходит повтор цикла.

Пример использования

В качестве примера настроим автоматическую калибровку ESC-регулятора при запуске скетча Arduino. Нам потребуются следующие компоненты:

  • Плата Arduino Uno – 1;
  • Плата прототипирования – 1;
  • Мотор бесколлекторный – 1;
  • ESC-регулятор – 1;
  • Потенциометр 10 кОм – 1;
  • Блок питания 12 В – 1;
  • Провода.

Для калибровки в процедуре setup() производим эмуляцию перевода потенциометра м максимальное и минимальное положение. Содержимое скетча показано в листинге 2.

Листинг 2.

// подключение библиотеки#include <Servo.h> // создание объектаServo motor;//Пин подключения мотораint mot_pin = 9; //Максимальное значение ШИМ 2.3 мсint max_pwm = 2300; //Минимальное значени ШИМ 0.8 мсint min_pwm = 800; void setup() { // запуск последовательного порта Serial.begin(9600); // инициализация мотора motor.attach(mot_pin); // калибровка delay(1000); motor.writeMicroseconds(max_pwm); delay(2000); motor.writeMicroseconds(min_pwm); delay(4000);} void loop() { // регулирование потенциометром int speed=map(analogRead(A0),1023,0,800,2300); motor.writeMicroseconds(speed); delay(20);}

После запуска Arduino в процедуре setup() происходит калибровка регулятора, и в процедуре loop() мотор крутится со скоростью, соответствующей положению потенциометра.

Часто задаваемые вопросы

1. Не запускаются моторы
  • Проверьте подключение моторов к ESC-регулятору, ESC-регулятора к блоку питания и Arduino.
  • Проведите калибровку ESC-регулятора.

Аккумуляторы RedLithium

Последние годы все производители переводят линейки своих аккумуляторных продуктов с Ni-Cd на Li-Ion аккумуляторы. И все стараются добиться от этих батарей максимальной работоспособности и долговечности. На это и нацелена, представленная Milwukee в 2011 году, технология RedLithium (дословно – Красный Литий).

Заявленных свойств и характеристик для батарей RedLithium в компании Milwaukee добились за счет использования лучшей аккумуляторной «химии» (почти везде стоят Samsung’овские банки), интеллектуального блока контроля и управления элементами, а так же особой конструкции для уменьшения механических воздействий и защиты от попадания воды.

Взрыв-схемы аккумуляторов Mulwaukee RedLithium M18

Взрыв-схемы предыдущего поколения аккумуляторов XC (слева) и их последней редакции (справа).

M18 имеют встроенную защиту от перегрузки, перегрева, чрезмерного разряда (M12 имеют лишь температурный датчик). Контролер и зарядное устройство могут контролировать состояние не только всей батареи в целом, но индивидуально каждого аккумуляторного элемента (в крупных батареях, похоже, блоками по 2-3 элемента).

Все это, по заявлению разработчика, должно дать их аккумуляторам ряд преимуществ, как над предыдущими поколениями батарей, так и над батареями конкурентов. Но, немного смущает, что информация даже из официальных источников (сайт, пресс релизы, каталог и т.п) различается, поэтому в скобках привожу другие встретившиеся мне значения:

  • продолжительность работы увеличена на 40% (в 2 раза);
  • обороты и крутящий момент выросли на 20%;
  • количество циклов зарядки выросло на 50% (от 2 до 10 раз, 1400 циклов);
  • могут работать при температуре окружающей среды до -20°C.
Сравнение мощности и времени работы различных поколений аккумуляторов Milwaukee

Сравнение мощности и времени работы различных поколений аккумуляторов Milwaukee.

По всей видимости, зависит от того, с чем сравнивать… Цифры, конечно маркетинговые, но по моему опыту и отзывам других, RedLithium очень достойные аккумуляторы. Заряд и разряд происходит достаточно щадяще, у своих M12 я ни разу не замечал, чтобы они заметно нагрелись. Вполне реально, что аккумуляторы прослужат достаточно долго. Кроме того батареи имеют неплохую гарантию: на Li-Ion 2 и 3 года для американского рынка и 2 для нашего (при условии регистрации, и то не для всех аккумуляторов… как обычно, нас обделили…).

Внешний вид аккумулятора M18 XC 5.0 (48-11-1850)

Внешний вид аккумулятора M18 XC 5.0 (48-11-1850).

M18 имеют довольно надежное и удобное крепление слайдерного типа. Индикатор заряда у M18 находится на батарее (у M12 – на инструменте). Главное, что все аккумуляторы RedLithium, как механически, так и электрически, полностью совместимы с оборудованием предыдущего поколения своей системы и наоборот.

Аккумуляторы M12

На фото три имеющихся у меня батареи M12, уже знакомые нашим читателям из обзоров шуруповерта Milwaukee M12 Fuel (2404) и мультирезака M12 (2426).

Аккумуляторы RedLithium M12 различной емкостиСлева направо:

  1. 48-11-2402 – 12 В, 3 Ач (32 Втч), 400 грамм, 57 минут* (предыдущее поколение RedLithium)
  2. 48-11-2440 – 12 В, 4 Ач (43 Втч), 405 грамм, 76 минут*
  3. 48-11-2420 – 12 В, 2 Ач (22 Втч), 180 грамм, 40.5 минут*

* Время полного заряда, замеренного мной (вполне соответствует заявленному). По современным меркам это довольно долго, могли бы совершенно безболезненно уменьшить время минут на 10-20 за счет немного большего тока – аккумуляторы во время заряда еле теплые, сама зарядка и то больше греется.

В сентябре вышло «быстрое зарядное устройство», универсальное для M12 и M18. Время заряда меньше до 40% и улучшена индикация процесса, кроме того зарядка поддерживает грядущие аккумуляторы емкостью 6 и 9 Ач (для M18). Для желающих приобрести: американский каталожный номер –

48-59-1808

, европейский –

M12-18 FC

. Только не забывайте, что американская версия потребует трансформатора или переделки, а насколько она ей поддается пока неизвестно (если кто-то захочет

поделиться фотографиями внутренностей

, многие будут благодарны!).

Новое зарядное устройство для ускоренного заряда M12 и M18 (48-59-1808)

Новое зарядное устройство для ускоренного заряда M12 и M18 (48-59-1808).

На самом деле аккумуляторы M12 не 12 вольт. Там стоят стандартные Li-ion банки 18650 с номиналом на 3.6 В, что дает 10.8 вольт (3×3.6). Полностью заряженный аккумулятор M12 показывает 12.2 – 12.5, что вполне объяснимо – любые заряженные аккумуляторы выдают больше номинала. Вот и написали 12 В (к слову, указанные Ватт-часы рассчитаны от номинала – 10.8).

У обычных RedLithium (48-11-2401) внутри установлены банки Samsung INR18650-15M на 1500mAh, а RedLithium XC 2.0 собраны из банок INR18650-20R на 2000mAh. И те и другие – отличные аккумуляторы, рассчитанные на высокий ток нагрузки (у 15M даже немного больше). Емкость батарей с этими аккумуляторами соответствует заявленной. Большие батареи (RedLithium XC 4.0) разбирать мне жалко, но полагаю, что там должны быть те же INR18650-20R, как и в маленьких.

Разобранный аккумулятор RedLithium M12 48-11-2420

Схема оснащена термодатчиком и позволяет производить заряд и контроль каждой банки батареи по отдельности (как и было заявлено). Каких-либо «интеллектуальных» компонентов внутри аккумуляторов M12 нет.

На фото я отметил, какие контакты предназначены для какой банки, имея эту информацию можно попробовать восстановить любую банку с помощью зарядок iMAX, OPUS и им подобным, не разбирая батареи (у Milwaukee M12 это не так просто сделать). У 4.0 Ач акумов банки собраны по парам.

Аккумуляторы M18

Аккумуляторов M18 выпускается значительно больше. На данный момент купить можно батареи емкостью от 1.5 Ач до 5 Ач. На январь 2016 анонсирован выход 18В аккумуляторов емкостью 6 Ач и 9 Ач. Вот уж будет, где разгуляться :-D .

Аккумуляторы M18 различной емкости

Аккумуляторы M18 различной емкости.

В самых первых акумах емкостью 1.5 Ач (48-11-1815) внутри стоят банки Samsung INR18650-15M (как и в M12 на 1.5 Ач). Напряжение у M18 указано «по-честному» – 3.6 x 5 = 18, хотя полностью заряженная батарея показывает чуть больше 20 вольт… :-D

Разобранный аккумулятор RedLithium M18 1.5 Ач (48-11-1815) - аккумуляторы

Каждый аккумулятор M18 уже имеет собственную плату электроники – часть той самой системы RedLink для мониторинга состояния элементов и контроля их заряда/разряда.

Разобранный аккумулятор RedLithium M18 1.5 Ач (48-11-1815) - плата управления

Можно предположить какие банки стоят в более емких моделях. Явно те же INR18650-20R в батареях на 2 Ач и 4 Ач. Скорей всего INR18650-25R в батареях емкостью 5 Ач (из высокотоковых банок Samsung – 2500 мАч это пока максимум).

Внутренности новых аккумуляторов RedLithium M18 емкостью 6 Ач и 9 Ач

Внутренности новых аккумуляторов RedLithium M18 емкостью 6 Ач и 9 Ач.

Сложно сказать, что используется в батареях на 6 и 9 Ампер-час. Согласно конструкции там должны стоять банки на 3000 мАч, а единственные известные банки такой емкости с током разряда 20 А это LG HG2. Очевидно, что эти батареи сейчас проходят этап рабочей «обкатки» (везет же кому-то :-D ), по результатам которой к выходу в продажу их дизайн может претерпеть изменения.

Моторы по производителям[править]

  • Tower pro
  • Моторы Turnigy
  • Моторы DYS
  • Моторы Gartt
  • Моторы T-Motor

Теги

Бесколлекторный двигательДвигательЭлектродвигатель

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.

Тестирование работы схемы

Сделайте все необходимые соединения в схеме, загрузите программу в плату Arduino и подайте питание на контроллер ESC. Убедитесь в том, что ваш BLDC двигатель надежно закреплен, иначе он будет прыгать во время вращения. Когда вы подадите питание на контроллер ESC вы услышите приветственный тон и он будет издавать этот звук до тех пор пока не поступит управляющий сигнал заданного уровня (в заданных границах). Начните постепенно вращать ручку потенциометра чтобы на его выходе напряжение стало отличным от 0, и этот звук прекратится. Это будет означать, что вы подали на контроллер ШИМ сигнал минимально допустимого уровня. При дальнейшем вращении ручки потенциометра двигатель начнет медленно вращаться. При дальнейшем повороте ручки потенциометра и увеличении напряжения на его выходе скорость вращения двигателя будет увеличиваться. Когда напряжение достигнет верхней допустимой границы двигатель остановится. В дальнейшем вы можете повторить весь этот процесс заново.

Тестирование работы проекта

Схемы частотных преобразователей для трехфазных двигателей

2 300

Одна из первых схем преобразователя для питания трехфазного двигателя была опубликована в журнале «Радио» №11 1999г. Разработчик схемы М. Мухин в то время был учеником 10 класса и занимался в радиокружке.

Преобразователь предназначался для питания миниатюрного трехфазного двигателя ДИД-5ТА, который использовался в станке для сверления печатных плат. При этом следует отметить, что рабочая частота этого двигателя 400Гц, а напряжение питания 27В. Кроме того, средняя точка двигателя (при соединении обмоток «звездой») выведена наружу, что позволило предельно упростить схему: понадобилось всего три выходных сигнала, а на каждую фазу потребовался всего один выходной ключ. Схема генератора показана на рисунке 1.

Как видно из схемы преобразователь состоит из трех частей: генератора-формирователя импульсов трехфазной последовательности на микросхемах DD1…DD3, трех ключей на составных транзисторах (VT1…VT6) и собственно электродвигателя M1.

На рисунке 2 показаны временные диаграммы импульсов, сформированных генератором-формирователем. Задающий генератор выполнен на микросхеме DD1. С помощью резистора R2 можно установить требуемую частоту вращения двигателя, а также изменять ее в некоторых пределах. Более подробную информацию о схеме можно узнать в указанном выше журнале. Следует отметить, что по современной терминологии подобные генераторы-формирователи называются контроллерами.


Рисунок 1.

Рисунок 2. Временные диаграммы импульсов генератора.

На базе рассмотренного контроллера А. Дубровским из г. Новополоцка Витебской обл. была разработана конструкция частотно-регулируемого привода для двигателя с питанием от сети переменного тока напряжением 220В. Схема устройства была опубликована в журнале «Радио» 2001г. №4.

В этой схеме, практически без изменений, используется только что рассмотренный контроллер по схеме М. Мухина. Выходные сигналы с элементов DD3.2, DD3.3 и DD3.4 используются для управления выходными ключами A1, A2, и A3, к которым подключается электродвигатель. На схеме полностью показан ключ A1, остальные идентичны. Полностью схема устройства показана на рисунке 3.

Рисунок 3.

Подключение двигателя к выходу трехфазного инвертора:

Для ознакомления с подключением двигателя к выходным ключам стоит рассмотреть упрощенную схему, приведенную на рисунке 4.

Рисунок 4.

На рисунке показан электродвигатель M, управляемый ключами V1…V6. Полупроводниковые элементы для упрощения схемы показаны в виде механических контактов. Питание электродвигателя осуществляется постоянным напряжением Ud получаемым от выпрямителя (на рисунке не показан). При этом, ключи V1, V3, V5 называются верхними, а ключи V2, V4, V6 нижними.

Совершенно очевидно, что открытие одновременно верхних и нижних ключей, а именно парами V1&V6, V3&V6, V5&V2 совершенно недопустимо: произойдет короткое замыкание. Поэтому, для нормальной работы такой ключевой схемы, обязательно, чтобы к моменту открытия нижнего ключа верхний ключ уже был закрыт. С этой целью контроллеры управления формируют паузу, часто называемую «мертвой зоной».

Величина этой паузы такова, чтобы обеспечить гарантированное закрытие силовых транзисторов. Если эта пауза будет недостаточна, то возможно кратковременное открытие верхнего и нижнего ключа одновременно. Это вызывает нагрев выходных транзисторов, часто приводящий к выходу их из строя. Такую ситуацию называют сквозными токами.

Вернемся к схеме, показанной на рисунке 3. В данном случае верхними ключами являются транзисторы 1VT3, а нижними 1VT6. Нетрудно заметить, что нижние ключи гальванически связаны с управляющим устройством и межу собой. Поэтому управляющий сигнал с выхода 3 элемента DD3.2 через резисторы 1R1 и 1R3 подаются непосредственно на базу составного транзистора 1VT4…1VT5. Этот составной транзистор есть не что иное, как драйвер нижнего ключа. В точности также от элементов DD3, DD4 управляются составные транзисторы драйверов нижнего ключа каналов A2 и A3. Питание всех трех каналов осуществляется от одного и того же выпрямителя на диодном мосте VD2.

Верхние же ключи гальванической связи с общим проводом и управляющим устройством не имеют, поэтому для управления ими кроме драйвера на составном транзисторе 1VT1…1VT2 пришлось в каждый канал установить дополнительный оптрон 1U1. Выходной транзистор оптрона в этой схеме также выполняет функцию дополнительного инвертора: когда на выходе 3 элемента DD3.2 высокий уровень открыт транзистор верхнего ключа 1VT3.

Для питания каждого драйвера верхнего ключа используется отдельный выпрямитель 1VD1, 1C1. Каждый выпрямитель питается от индивидуальной обмотки трансформатора, что можно рассматривать как недостаток схемы.

Конденсатор 1C2 обеспечивает задержку переключения ключей около 100 микросекунд, столько же дает оптрон 1U1, тем самым формируется вышеупомянутая «мертвая зона».

Достаточно ли только регулирования частоты?

С понижением частоты питающего переменного напряжения падает индуктивное сопротивление обмоток двигателя (достаточно вспомнить формулу индуктивного сопротивления), что приводит к увеличению тока через обмотки, и, как следствие, к перегреву обмоток. Также происходит насыщение магнитопровода статора. Чтобы избежать этих негативных последствий, при уменьшении частоты приходится снижать и эффективное значение напряжения на обмотках двигателя.

Одним из способов решения проблемы в любительских частотниках предлагалось это самое эффективное значение регулировать при помощи ЛАТРа, подвижный контакт которого имел механическую связь с переменным резистором регулятора частоты. Такой способ был рекомендован в статье С. Калугина «Доработка регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей». Журнал «Радио» 2002, №3, стр.31.

В любительских условиях механический узел получался в изготовлении сложным, а главное ненадежным. Более простой и надежный способ использования автотрансформатора был предложен Э. Мурадханяном из Еревана в журнале «Радио» №12 2004. Схема этого устройства показана на рисунках 5 и 6.

Напряжение сети 220В подается на автотрансформатор T1, а с его подвижного контакта на выпрямительный мост VD1 с фильтром C1, L1, C2. На выходе фильтра получается изменяемое постоянное напряжение Uрег, используемое собственно для питания двигателя.


Рисунок 5.

Напряжение Uрег через резистор R1 также подается на задающий генератор DA1, выполненный на микросхеме КР1006ВИ1 (импортный вариант NE555). В результате такого подключения обычный генератор прямоугольных импульсов превращается в ГУН (генератор, управляемый напряжением). Поэтому, при увеличении напряжения Uрег увеличивается и частота генератора DA1, что приводит к увеличению частоты вращения двигателя. При снижении напряжения Uрег пропорционально уменьшается и частота задающего генератора, что позволяет избежать перегрев обмоток и перенасыщение магнитопровода статора.


Рисунок 6.

В той же журнальной статье автор предлагает вариант задающего генератора, который позволяет избавиться от использования автотрансформатора. Схема генератора показана на рисунке 7.

Рисунок 7.

Генератор выполнен на втором триггере микросхемы DD3, на схеме обозначен как DD3.2. Частота задается конденсатором C1, регулировка частоты осуществляется переменным резистором R2. Вместе с регулировкой частоты изменяется и длительность импульса на выходе генератора: при понижении частоты длительность уменьшается, поэтому напряжение на обмотках двигателя падает. Такой принцип управления называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

В рассматриваемой любительской схеме мощность двигателя невелика, питание двигателя производится прямоугольными импульсами, поэтому ШИМ достаточно примитивна. В реальных промышленных частотных преобразователях большой мощности ШИМ предназначена для формирования на выходе напряжений практически синусоидальной формы, как показано на рисунке 8, и для реализации работы с различными нагрузками: при постоянном моменте, при постоянной мощности и при вентиляторной нагрузке.


Рисунок 8. Форма выходного напряжения одной фазы трехфазного инвертора с ШИМ.

Силовая часть схемы:

Современные фирменные частотники имеют на выходе мощные транзисторы структуры MOSFET или IGBT, специально предназначенные для работы в преобразователях частоты. В ряде случаев эти транзисторы объединены в модули, что в целом улучшает показатели всей конструкции. Управление этими транзисторами производится с помощью специализированных микросхем-драйверов. В некоторых моделях драйверы выпускаются встроенными в транзисторные модули.

Наиболее распространены в настоящее время микросхемы и транзисторы фирмы International Rectifier. В описываемой схеме вполне возможно применить драйверы IR2130 или IR2132. В одном корпусе такой микросхемы содержится сразу шесть драйверов: три для нижнего ключа и три для верхнего, что позволяет легко собрать трехфазный мостовой выходной каскад. Кроме основной функции эти драйверы содержат также несколько дополнительных, например защита от перегрузок и коротких замыканий. Более подробную информацию об этих драйверах можно узнать из технических описаний Data Sheet на соответствующие микросхемы.

При всех достоинствах единственный недостаток этих микросхем их высокая цена, поэтому автор конструкции пошел другим, более простым, дешевым, и в то же время работоспособным путем: специализированные микросхемы-драйверы заменены микросхемами интегрального таймера КР1006ВИ1 (NE555).

Выходные ключи на интегральных таймерах:

Если вернуться к рисунку 6, то можно заметить, что схема имеет для каждой из трех фаз выходные сигналы, обозначенные как «Н» и «В». Наличие этих сигналов позволяет раздельно управлять верхними и нижними ключами. Такое разделение позволяет формировать паузу между переключением верхних и нижних ключей при помощи блока управления, а не самими ключами, как было показано в схеме на рисунке 3.

Схема выходных ключей с применением микросхем КР1006ВИ1 (NE555) показана на рисунке 9. Естественно, что для трехфазного преобразователя понадобится три экземпляра таких ключей.


Рисунок 9.

В качестве драйверов верхних (VT1) и нижних (VT2) ключей используются микросхемы КР1006ВИ1, включенные по схеме триггеров Шмидта. С их помощью возможно получить импульсный ток затвора не менее 200мА, что позволяет получить достаточно надежное и быстрое управление выходными транзисторами.

Микросхемы нижних ключей DA2 имеют гальваническую связь с источником питания +12В и, соответственно, с блоком управления, поэтому их питание осуществляется от этого источника. Микросхемы верхних ключей можно запитать так же, как было показано на рисунке 3 с использованием дополнительных выпрямителей и отдельных обмоток на трансформаторе. Но в данной схеме применяется иной, так называемый, «бустрепный» метод питания, смысл которого в следующем. Микросхема DA1 получает питание от электролитического конденсатора C1, заряд которого происходит по цепи: +12В, VD1, C1, открытый транзистор VT2 (через электроды сток – исток), «общий».

Другими словами заряд конденсатора C1 происходит в то время, когда открыт транзистор нижнего ключа. В этот момент минусовой вывод конденсатора С1 оказывается практически накоротко соединен с общим проводом (сопротивление открытого участка «сток – исток» у мощных полевых транзисторов составляет тысячные доли Ома!), что и обеспечивает возможность его заряда.

При закрытом транзисторе VT2 также закроется и диод VD1, заряд конденсатора C1 прекратится до следующего открытия транзистора VT2. Но заряд конденсатора C1 достаточен для питания микросхемы DA1 на время, пока закрыт транзистор VT2. Естественно, что в этот момент транзистор верхнего ключа находится в закрытом состоянии. Данная схема силовых ключей оказалась настолько хороша, что без изменений применяется и в других любительских конструкциях.

В данной статье рассмотрены лишь самые простые схемы любительских трехфазных инверторов на микросхемах малой и средней степени интеграции, с которых все начиналось, и где можно даже по схеме рассмотреть все «изнутри». Более современные конструкции выполнены с применением микроконтроллеров, чаще всего серии PIC, схемы которых также неоднократно публиковались в журналах «Радио».

Микроконтроллерные блоки управления по схеме более просты, чем на микросхемах средней степени интеграции, имеют такие нужные функции, как плавный пуск двигателя, защита от перегрузок и коротких замыканий и некоторые другие. В этих блоках все реализовано за счет управляющих программ или как их принято называть «прошивок». Именно от этих программ и зависит насколько хорошо или плохо будет работать блок управления трехфазного инвертора.

Достаточно простые схемы контроллеров трехфазного инвертора опубликованы в журнале «Радио» 2008 №12. Статья называется «Задающий генератор для трехфазного инвертора». Автор статьи А. Долгий является также автором цикла статей о микроконтроллерах и многих других конструкций. В статье приведены две простых схемы на микроконтроллерах PIC12F629 и PIC16F628.

Частота вращения в обеих схемах изменяется ступенчато с помощью однополюсных переключателей, что вполне достаточно во многих практических случаях. Там же дается ссылка где можно скачать готовые «прошивки», и, более того, специальную программу, с помощью которой можно изменять параметры «прошивок» по своему усмотрению. Возможна также работа генераторов режиме «демо». В этом режиме частота генератора уменьшена в 32 раза, что позволяет визуально с помощью светодиодов наблюдать работу генераторов. Также даются рекомендации по подключению силовой части.

Но, если не хочется заниматься программированием микроконтроллера фирма Motorola выпустила специализированный интеллектуальный контроллер MC3PHAC, предназначенный для систем управления 3-фазным двигателем. На его базе возможно создание недорогих систем регулируемого трехфазного привода, содержащего все необходимые функции для управления и защиты. Подобные микроконтроллеры находят все более широкое применение в различной бытовой технике, например, в посудомоечных машинах или холодильниках.

В комплекте с контроллером MC3PHAC возможно использование готовых силовых модулей, например IRAMS10UP60A разработанных фирмой International Rectifier. Модули содержат шесть силовых ключей и схему управления. Более подробно с этими элементами можно в их документации Data Sheet, которую достаточно просто найти в интернете.

Борис Аладышкин

Оригинал статьи здесь.

1+

Нравится схема? Поделитесь с другом.

Трехфазные бесколлекторные электродвигатели

Очень много бесколлекторных электродвигателей для авиамоделей выполняется под питание постоянным током.

Но существуют и трехфазные экземпляры, в которых устанавливаются преобразователи.

Они позволяют из постоянного напряжения сделать трехфазные импульсы.

Работа происходит следующим образом:

  1. На катушку «А» поступают импульсы с положительным значением. На катушку «В» — с отрицательным значением. В результате этого якорь начнет двигаться. Датчики фиксируют смещение и подаётся сигнал на контроллер для осуществления следующей коммутации.
  2. Происходит отключение катушки «А», при этом импульс положительного значения поступает на обмотку «С». Коммутация обмотки «В» не претерпевает изменений.
  3. На катушку «С» попадается положительный импульс, а отрицательный поступает на «А».
  4. Затем вступает в работу пара «А» и «В». На них и подаются положительные отрицательные значения импульсов соответственно.
  5. Затем положительный импульс опять поступает на катушку «В», а отрицательный на «С».
  6. На последнем этапе происходит включение катушки «А», на которую поступает положительный импульс, и отрицательный идет к С.

И после этого происходит повтор всего цикла.

Крепеж двигателя

Моторама 45/50/58

Моторама 45/50/58

Моторама— механизм крепления двигателя. Применяется в установках двигателей. Моторама представляет собой взаимосвязанные стержни и элементы каркаса. Моторамы бывают плоскими, пространственными по элементам. Моторама одиночного двигателя 30 вольт или нескольких устройств. Силовая схема моторамы состоит из совокупности стержней. Моторама устанавливается в сочетании ферменных и каркасных элементов.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока незаменимый агрегат, применяемый как в быту, так и в промышленности. Например, ЧПУ станок, медицинское оборудование, автомобильные механизмы.

БКЭПТ выделяются надежностью, высокоточным принципом работы, автоматическим интеллектуальным управлением и регулированием.

Преимущества использования

бесколлекторный электродвигатель принцип работы

Изготовить своими руками бесколлекторный электродвигатель сложно, а реализовать микроконтроллерное управление практически невозможно. Поэтому лучше всего использовать готовые промышленные образцы. Но обязательно учитывайте достоинства, которые получает привод при использовании бесколлекторных электродвигателей:

  1. Существенно больший ресурс, нежели у коллекторных машин.
  2. Высокий уровень КПД.
  3. Мощность выше, нежели у коллекторных моторов.
  4. Скорость вращения набирается намного быстрее.
  5. Во время работы не образуются искры, поэтому их можно использовать в условиях с высокой пожарной опасностью.
  6. Очень простая эксплуатация привода.
  7. При работе не нужно использовать дополнительные компоненты для охлаждения.

Среди недостатков можно выделить очень высокую стоимость, если учитывать еще и цену контроллера. Даже кратковременно включить для проверки работоспособности такой электродвигатель не получится. Кроме того, ремонтировать такие моторы намного сложнее из-за их особенностей конструкции.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...