Основи на двигателите - теория и закони за проектиране на двигател

Чудили ли сте се как се върти мотор? Какви са включените основи? Как се контролира? Моторните двигатели с постоянен ток са на пазара от дълго време и те се въртят лесно само с постояннотоково захранване / батерия, докато асинхронните двигатели и синхронните двигатели с постоянен магнит включват сложна електроника и теория за управление, за да ги въртят ефективно. Преди дори да стигнем до това какво е двигател с постоянен ток или какви са другите видове двигатели, е важно да разберем работата на линейния двигател - най-основния двигател. Това ще ни помогне да разберем основите зад въртенето на двигателя.

Аз съм инженер по енергийна електроника и контрол на двигателя и следващият блог ще бъде за управлението на двигателя. Но има определени теми, които е необходимо да разберете, преди да влезете в дълбочината на моторния контрол и ние ще ги разгледаме в тази статия.

Работа на линеен двигател
Видове двигатели и тяхната история
Видимост
Взаимодействие на потока между статора и ротора

Работа на линеен двигател

Като инженер по силова електроника не знаех много за работата на двигателите. Прочетох много бележки, книги и препоръчани видеоклипове. Трудно разбрах някои от двигателите и управлението им в дълбочина, докато не се спрях отново на основните електромеханични закони за преобразуване на енергия - законите на Фарадей и Лоренц. Ще отделим известно време, за да разберем тези закони. Някои от вас може би вече го знаят, но е добре да ги прегледате още веднъж. Може да научите нещо ново.

Законът на Фарадей

Законът за индукцията на Фарадей посочва връзката между потока на намотка от проводник и индуцираното в нея напрежение.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Където Φ представлява потока в намотката. Това е едно от основните уравнения, използвани за извеждане на електрическия модел на мотор. Тази ситуация не се случва при практически двигатели, тъй като намотката ще се състои от определен брой завъртания, разпределени в пространството и ние ще трябва да отчитаме потока през всеки от тези завои. Терминът поточна връзка (λ) представлява общия поток, свързан с всички намотки и се дава от следното уравнение

Represents _n представлява потока, свързан с n ^-та намотка, а N е броят на завъртанията. Може да се опише, тъй като намотката се формира от N единични завоя в последователна конфигурация. По този начин,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Знакът минус обикновено се приписва на закона на Ленц.

Законът на Ленц гласи следното: ЕМП (електродвижеща сила) се индуцира в намотка от тел, ако потокът, свързан с нея, се промени. Полярността на ЕМП е такава, че ако резистор е шунтиран през него, токът, протичащ в него, ще се противопостави на промяната в потока, която е предизвикала тази ЕМП.

Нека разберем Закона на Ленц чрез проводник (пръчка), поставен в магнитно поле (B̅), сочещ надолу в равнината на хартията, както е показано по-горе на фигурата. А сила F _{се прилага} движи пръта хоризонтално но прът е винаги в контакт с хоризонтални проводници. Външният резистор R се използва като шунт, за да позволи на тока да тече. И така, устройството действа като обикновена електрическа верига с източник на напрежение (индуцираната ЕМП) и резистор. Потокът, свързан с този контур, се променя, тъй като площта, свързана с B̅, се увеличава. Това индуцира ЕМП във веригата според Закона на Фарадей (величината се определя от това колко бързо се променя потокът) и Закона на Ленц (полярността е решена такава, че индуцираният ток да се противопостави на промяната на потока).

Правилото за палеца на дясната ръка ще ни помогне да знаем посоката на течението. Ако навием пръстите си по посока на индуцирания ток, тогава палецът ще даде посоката на генерираното поле от този индуциран ток. В този случай, за да се противопоставим на нарастващия поток, дължащ се на полето B̅, трябва да развием поле, поле извън равнината на хартията, и следователно токът ще тече в посока, обратна на часовниковата стрелка. В резултат терминал А е по-положителен от терминал В. От гледна точка на натоварването се развива положителна ЕМП с нарастващ поток и следователно ще запишем уравнението като

e (t) = d λ / dt

Забележете, че сме пренебрегнали отрицателния знак, докато пишем това уравнение от гледна точка на товара. (Подобен случай ще се появи, когато започнем да се занимаваме с двигатели). Крайната електрическа верига ще има формата, както е показано на фигурата по-долу. Въпреки че обсъжданият случай е на генератор, ние използвахме конвенцията на знаците от гледна точка на двигателя и полярността, показана на фигурата по-долу, е правилна. (Ще стане очевидно, когато преминем към моторната работа).

Можем да изчислим индуцираната EMF, както следва. Намотка от 1 оборот (в този случай проводник) ще създаде поточна връзка от:

Където А представлява площта на контура, l е дължината на проводника, v е скоростта, с която се движи пръта поради приложената сила.

Разглеждайки горното уравнение, можем да кажем, че величината на ЕМП е пропорционална на скоростта на проводника и независима от външния резистор. Но външният резистор ще определи колко сила е необходима за поддържане на скоростта (а оттам и на тока). Тази дискусия продължава напред под формата на Lorentz Law.

Лоренц Лоу

Първо ще проверим уравнението и след това ще се опитаме да го разберем.

F = q. (E + Vc x B)

Той гласи, че когато частица от заряд q се движи със скорост v _c в електромагнитно поле, тя изпитва сила. В мотора електрическото поле Е е без значение. По този начин, F = q. Vc. Б.

Ако полето е постоянно с времето по дължината на проводника и перпендикулярно на него, можем да запишем горните уравнения като:

F = q. dx / dt. B = dq / dt. х. B = il B = B. i. л

Това показва, че силата, действаща върху заряда, е право пропорционална на тока.

Обратно към първата фигура, видяхме, че приложена външна сила предизвиква ЕМП, която индуцира ток в резистор. Цялата енергия се разсейва като топлина в резистора. Законът за запазване на енергията трябва да бъде изпълнен и оттук получаваме:

F. v = e. i

Това уравнение представя как механичната енергия се преобразува в електрическа. Тази подредба се нарича линеен генератор.

Най-накрая можем да проверим как работи двигателят, т.е. как електрическата енергия се преобразува в механична. На фигурата по-долу сме заменили външния резистор с фиксиран резистор на веригата и сега има външен източник на напрежение, който захранва тока. В този случай ще наблюдаваме развита сила (F _{РАЗВИТО}), дадена от Закона на Лоренц. Посоката на силата може да се установи чрез правилото отдясно, показано по-долу

Ето как работи линейният мотор. Всички двигатели са получени от тези основни принципи. Има много подробни статии и видеоклипове, които ще намерите, описващи работата на моторни постояннотокови двигатели, безчеткови двигатели, PMSM двигатели, асинхронни двигатели и т.н. Така че няма смисъл да се прави още една статия, описваща работата. Ето връзката към някои от добрите образователни видеозаписи за различни видове двигатели и тяхното функциониране.

История на моторите

В исторически план е имало три вида двигатели, които са били широко използвани - постоянен постоянен комутатор, синхронни и асинхронни двигатели. Много приложения изискват променлива скорост и двигателите с постоянен ток бяха широко използвани. Но въвеждането на тиристори около 1958 г. и транзисторната технология промениха сцената.
Разработени са инвертори, които помогнаха за ефективно приложение за контрол на скоростта. Транзисторните устройства могат да се включват и изключват по желание и това позволява работа на ШИМ. Основните схеми за управление, които бяха разработени по-рано, бяха V / f задвижвания за асинхронни машини.
Успоредно с това постоянните магнити започнаха да заменят полевите намотки, за да подобрят ефективността. А използването на инвертор заедно със синусоидални машини с постоянни магнити позволи елиминиране на четките за подобряване на живота и надеждността на двигателя.
Следващата важна стъпка беше в управлението на тези безчеткови машини. Теорията за две реакции (или dq теория) е въведена от Андре Блондел във Франция преди 1900 г. Тя е комбинирана със сложни космически вектори, което позволява да се моделира машина точно в преходно и стабилно състояние. За първи път електрическите и механичните величини могат да бъдат свързани помежду си.
Асинхронните двигатели не забелязват много промени до 1960 г. Двама германци - Блашке и Хасе правят някои ключови нововъведения, които водят до известния вече векторен контрол на асинхронни двигатели. Векторното управление се занимава с преходния модел на асинхронния двигател, а не със стационарно състояние. Освен че контролира съотношението амплитуда на напрежението към честотата, той контролира и фазата. Това помогна на асинхронния двигател да се използва в приложения за контрол на скоростта и серво с висока динамика.
Безсензорният алгоритъм беше следващата голяма стъпка в управлението на тези двигатели. Векторното управление (или полево ориентирано управление) изисква да се знае положението на ротора. По-рано бяха използвани датчици за скъпи позиции. Възможността за оценка на положението на ротора въз основа на модела на двигателя позволи на двигателите да работят без никакви сензори.
Оттогава има много малко промени. Дизайнът на двигателя и неговото управление горе-долу остават същите.

Двигателите се развиват от миналия век. И електрониката им помогна да се използват в различни приложения. По-голямата част от електричеството, използвано в този свят, се консумира от двигатели!

Различни видове двигатели

Двигателите могат да бъдат класифицирани по много различни начини. Ще разгледаме някои от класификациите.

Това е най-общата класификация. Имаше много объркване по отношение на двигателите с променлив и постоянен ток и е важно да се направи разлика между тях. Нека се придържаме към следната конвенция: двигателите, които изискват захранване с променлив ток „на неговите клеми“, се наричат двигател с променлив ток и който може да работи на захранване с постоянен ток „на своите терминали“ се нарича двигател с постоянен ток. „На неговите клеми“ е важно, тъй като елиминира какъв вид електроника се използва за задвижване на двигателя. Например: Безчетковият DC двигател всъщност не може да работи директно на постояннотоково захранване и той изисква електронна схема.

Двигателят може да бъде класифициран според захранването и въз основа на комутация - четка или без четка, както е показано по-долу

Въпреки че не навлизам задълбочено в дизайна на двигателите на нито един от горепосочените двигатели - Има две важни теми, с които бих искал да се занимая - видимост и взаимодействие на потока на ротора със потока на статора.

Видимост

Аспектите на параметрите на машината като производство на въртящ момент и индуктивност се влияят от магнитната структура на машината (при машини с постоянни магнити). И най-основният от този аспект е забележимостта. Видимостта е мярката за промяна в нежеланието при положение на ротора. Докато това нежелание е постоянно при всяко положение на ротора, машината се нарича непрозрачна. Ако нежеланието се промени с положението на ротора, машината се нарича видна.

Защо е важно да се разбере отличителността? Тъй като видимият двигател вече може да има два метода за генериране на въртящ момент. Можем да се възползваме от варирането на нежеланието в двигателя, за да създадем въртящ момент на нежелание заедно с магнитния въртящ момент (произведен от магнитите). Както е показано на фигурата по-долу, можем да постигнем по-високи нива на въртящ момент за същия ток с добавяне на въртящ момент на нежелание. Такъв ще бъде случаят с IPM (Вътрешен постоянен магнит) двигатели. (Има двигатели, които работят чисто върху ефекта на нежеланието, но няма да ги обсъждаме тук.) Следващата тема ще ви помогне да разберете много по-добре връзката на потока и чувствителността.

(Забележка: Ъглов аванс в долната фигура се отнася до фазовата разлика между тока на статора и потока на въздушната междина.)

Взаимодействие на потока между ротора и статора

Потокът в мотора преминава от ротора през въздушната междина към статора и се връща отново през въздушната междина обратно към ротора, за да завърши полевия контур. По този път потокът вижда различни съпротивления (магнитно съпротивление). Пластовете (стомана) имат много ниско съпротивление поради високата μ _r (относителната пропускливост на стоманата е в диапазона от хиляди), докато въздушната междина има много висока непроницаемост (μ _r е приблизително равна на 1).

MMF (магнитомотивната сила), разработена в стоманата, е много по-малка, тъй като има незначително нежелание в сравнение с въздушната междина. (Аналог на електрическата верига би бил: Източник на напрежение (магнит) задвижва ток (поток) през резистор (отклонение на въздушната междина). Проводниците (стоманени), свързани към резистора, имат много ниско съпротивление и можем да игнорираме спада на напрежението (MMF спад) през него). По този начин структурата на статорната и роторната стомана има пренебрежимо влияние и целият MMF се разработва по отношение на ефективното нежелание на въздушната междина (всеки цветни материали в потока на потока се счита, че има относителна пропускливост, равна на тази на въздушната междина). Дължината на въздушната междина е незначителна в сравнение с диаметъра на ротора и може спокойно да се предположи, че потокът от ротора е перпендикулярен на статора.Има прорези и други нелинейности поради прорези и зъби, но те обикновено се игнорират при моделирането на машината. (НЕ МОЖЕТЕ да ги игнорирате, когато проектирате машината). Но потокът във въздушната междина не се дава само от потока на ротора (магнити в случай на машина с постоянен магнит). Токът в статорната намотка също допринася за потока. Взаимодействието на тези 2 потока ще определи въртящия момент, действащ върху двигателя. И терминът, който го описва, се нарича ефективна връзка на потока на въздушната междина. Идеята не е да навлизаме в математиката и да извеждаме уравненията, а да отнеме две точки:Но потокът във въздушната междина не се дава само от потока на ротора (магнити в случай на машина с постоянен магнит). Токът в статорната намотка също допринася за потока. Взаимодействието на тези 2 потока ще определи въртящия момент, действащ върху двигателя. И терминът, който го описва, се нарича ефективна връзка на потока на въздушната междина. Идеята не е да навлизаме в математиката и да извеждаме уравненията, а да отнеме две точки:Но потокът във въздушната междина не се дава само от потока на ротора (магнити в случай на машина с постоянен магнит). Токът в статорната намотка също допринася за потока. Взаимодействието на тези 2 потока ще определи въртящия момент, действащ върху двигателя. И терминът, който го описва, се нарича ефективна връзка на потока на въздушната междина. Идеята не е да навлизаме в математиката и да извеждаме уравненията, а да отнеме две точки:

Ние се занимаваме само с потока във въздушната междина, тъй като целият ФПП е развит през нея.
Ефективната връзка на потока във въздушната междина се дължи както на тока на статора, така и на потока на ротора (магнити) и взаимодействието между тях създава въртящ момент.

Горната фигура показва ротора и статора на различни видове двигатели. Би било интересно да разберете кои от тях са изпъкнали и кои не?

Забележка: Във всеки от тези двигатели са маркирани две оси - D и Q. (Q-оста е магнитната ос, а оста D е електрически перпендикулярна на нея). Ще се върнем към оста D и Q в бъдещи статии. Не е важно за горния въпрос.

Отговор:

A, B, C - незабележими, D, E, F, G, H - забележими (магнитите влияят върху нежеланието в различно положение на ротора, виж фигурата по-долу, в J, K - и роторът, и статорът са незабележими.

Ще приключим тази статия на този етап. Много повече математика и машинно моделиране биха могли да бъдат обсъдени, но тук ще стане твърде сложно. Покрихме повечето теми, които са необходими, за да се разбере управлението на мотор. Следващата поредица от статии ще премине директно към Field Oriented Control (FOC), Space Vector Modulation (SVM), Flux Weakening и всички практически аспекти на хардуера и софтуера, където евентуално може да се забиете, след като започнете да проектирате контролера.