Badanie napędu z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (BLDC)
Transkrypt
Badanie napędu z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (BLDC)
Materiały pomocnicze do ćwiczenia „ Badanie napędu z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (BLDC)” Silniki bezszczotkowe z komutacją elektroniczną Silniki bezszczotkowe z komutacją elektroniczną możemy podzielić na dwie kategorie. Pierwsza z nich są to silniki które zawierają magnesy trwałe. Drugą kategoria to silniki bez magnesów trwałych. Zalicza się do nich silnik reluktancyjny przełączalny (switched reluctance motor). Silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi mogą być zasilane napięciem trapezoidalnym (BLDCM – brushless direct current motor) lub sinosoidalnym (PMSM – permanent magnet synchronous motor). W tym materiale zostaną omówione tylko silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi wzbudzane napięciem trapezoidalnym. Bezszczotkowe silniki DC są znane od bardzo dawna, jednak ich powszechne zastosowanie umożliwiły dopiero tanie scalone sterowniki impulsowe. Budowa silnika z wirującym magnesem jest "odwróceniem" budowy silnika komutatorowego z magnesem trwałym: uzwojenia znajdują się w stojanie a wirnik wykonany jest z odpowiednio ukształtowanego magnesu. Ze względu na liczbę uzwojeń, wyróżniamy silniki bezszczotkowe 2-pasmowe i 3pasmowe, natomiast w zależności od sposobu zasilania uzwojeń - silniki unipolarne i bipolarne (najczęściej spotykane). Właściwości i zastosowanie Parametry mechaniczne silnika BLDC są porównywalne z silnikiem komutatorowym prądu stałego wzbudzanego magnesami trwałymi – podobna moc i moment obrotowy przy zbliżonych wymiarach i masie. Istotnymi ich zaletami są: wysoka trwałość limitowana praktycznie trwałością łożysk, możliwość bardzo precyzyjnej regulacji prędkości obrotowej którą umożliwiają zaawansowane układy sterowników poprzez sterowanie kątem obrotu wirnika. Cena silnika bezszczotkowego jest jednak znacznie wyższa od podobnego silnika komutatorowego. Kompensuje ją jednak znacznie wydłużona trwałość silnika. Możliwość precyzyjnego sterowania powoduje, że w wielu aplikacjach są one znaczną konkurencją dla silnika skokowego. Szczególnie dotyczy to napędów pracujących przy wyższych prędkościach obrotowych. Dodatkowo są od nich mniejsze i lżejsze. Obecnie silniki BLDC są stosowane powszechnie w serwonapędach maszyn oraz w sprzęcie powszechnego użytku (np. napędy CD/DVD). Wyparły one praktyczne całkowicie silniki skokowe z napędu dysków twardych. Bardzo często sterownik silnika jest zintegrowany z silnikiem stanowiąc jego integralną część. W najprostszych rozwiązaniach na zewnątrz wyprowadzone są tylko 2 zaciski zasilania, co umożliwia regulacje kierunku i prędkości obrotowej (niektóre wbudowane sterowniki zmieniają kierunek obrotów przy zmianie biegunowości zasilania). W bardziej rozbudowanych są wejścia sterujące (analogowe lub cyfrowe) do regulacji obrotów. Najwyższej klasy sterowniki mają wejścia komunikacji szeregowej, umożliwiające konfigurowanie sterownika za pomocą mikroprocesora, komputera PC lub współpracę ze sterownikami PLC, czujnikami położenia i mają wbudowane algorytmy rozpędzania/hamowania i wiele innych aplikacji. Sterowniki wyższej klasy zazwyczaj stanowią odrębny moduł który jest dołączany do silnika. Silnik 2-pasmowy Zasada działania i uproszczony schemat silnika 2-pasmowego przedstawiono na rysunku 1.1. Elementy oznaczone jako H1 i H2 to czujniki Halla (scalone czujniki pola magnetycznego). Typowy czujnik Halla stosowany w silnikach jest elementem 3-końcówkowym („+”, „-„ i wyjście) w obudowie zbliżonej do obudowy tranzystora małej mocy. Pod wpływem pola magnetycznego o określonej biegunowości, wyjście czujnika zmienia swój stan w momencie przekroczenia progowej wartości pola magnetycznego. Produkowane są również czujniki bipolarne które wychwytują nie tylko zmianę wartości pola, ale również jego biegunowość. Rys.1.1 Zasada działania i uproszczony schemat silnika 2-pasmowego W układzie o schemacie pokazanym na rysunku 1.1 czujniki Halla powodują przepływ prądu przez uzwojenie A lub B w zależności od położenia kątowego wirnika. Pole magnetyczne cewek oddziałuje z magnesem, czego wynikiem jest obrót wirnika. Analizując działanie układu łatwo zauważyć, że moment obrotowy jest maksymalny w momencie poziomego ustawienia osi magnetycznej wirnika, natomiast po obróceniu wirnika o 1 90° moment wynosi zero. Konsekwencją tego faktu jest niemożność uruchomienia silnika przy niektórych położeniach wirnika. Można sobie poradzić z tym problemem poprzez podział uzwojeń na pasma ułożone naprzemiennie, zwiększając liczbę biegunów magnetycznych wirnika. Przykład silnika o takiej budowie pokazano na rysunku 1.2. Każde uzwojenie jest podzielone na cztery części, a wirnik posiada 4 bieguny. Symbole „+” i „-„ oznaczają kierunki uzwojeń, sekcje A1+, A2+, A1-, A2- są połączone szeregowo (analogiczne skonfigurowane jest uzwojenie B). W tak skonstruowanym silniku zmiany momentu obrotowego w funkcji kąta obrotu wirnika są mniejsze, ale nadal dokuczliwe. Rys.1.2. Zmodyfikowana konstrukcja silnika 2-pasmowego Nieco zmodyfikowany układ z rysunku 1.1 jest powszechnie stosowany w miniaturowych wentylatorach, używanych m.in. do chłodzenia urządzeń elektronicznych. Ze względu na brak generatora ustalającego prędkość obrotową, można zmieniać obroty takich wentylatorów poprzez zmianę napięcia zasilającego (w zakresie 50...120% prędkości znamionowej). Niestety przy takim sterowaniu moment obrotowy maleje przy zmniejszaniu obrotów. Poniżej pewnego napięcia granicznego wentylator może przestać pracować z powodu zadziałania układów zabezpieczających przed przeciążeniem. Na rysunku 1.3 pokazano stojan silnika przeznaczonego do napędu wentylatora. Aby wyeliminować problem z rozruchem zastosowano w tym przypadku celową deformację nadbiegunników stojana. Rys.1.3. Budowa stojana silnika przeznaczonego do napędu maleńkiego wentylatora Wykorzystanie miedzi w silnikach u z rysunku 1.3 nie jest najlepsze (sterowanie unipolarne) ponieważ prąd płynie naprzemian przez uzwojenie A lub B. Znacznie bardziej efektywne jest zasilanie bipolarne silnika pokazane na rys.1.4. Zastosowanie czterech tranzystorów układu mostkowego typu H umożliwia zmianę kierunku prądu przepływającego poprzez uzwojenia i zasilanie obu uzwojeń jednocześnie, dzięki czemu siła działająca na wirnik je 2-krotnie większa. Na schemacie z rysunku 1.4 cewki są połączone szeregowo. W praktycznych układach sterowników czasami stosuje się dwa oddzielne mostki zasilające po jednym dla każdego pasma. Sterowanie bipolarne 2-pasmowego silnika powoduje wzrost momentu obrotowego, lecz nadal nie rozwiązuje problemu zależności momentu od kąt obrotu wirnika. Dlatego znacznie lepsze pod tym względem są konstrukcje 3-pasmowe. Rys.1.4. Układ do sterowania bipolarnego silnika 2-pasmowego Silnik trójpasmowy 2 Silniki trójpasmowe maja trzy uzwojenia: A, B i C. Mogą być sterowane niezależnie w układzie unipolarnym (praktycznie nie spotykane), ale zazwyczaj uzwojenia są połączone w gwiazdę (rys.1.5). Każde z trzech uzwojeń jest podzielone na dwie części, co tworzy 6-biegunowy stojan. wirnik pokazany na rysunku posiada tylko dwa bieguny, ale w praktycznych rozwiązaniach stosuje się wirniki cztero lub sześciobiegunowe. Rys.1.5. Przekrój silnika 3-pasmowego oraz sposób połączenia jego uzwojeń Bipolarne sterowanie uzwojeń może być realizowane według schematu pokazanego na rysunku 1.6. W silniku 2-pasmowym do sterowania wymagane są dwa przebiegi prostokątne, przesunięte o 180°, silnik 3-pasmowy wymaga trzech przebiegów przesuniętych o 120°. Rys.1.6. Bipolarny sterownik silnika 3-pasmowego Na rysunku 1.7 przedstawiono idealizowane przebiegi czasowe prądów płynących w poszczególnych pasmach dla silnika 2-pasmowego oraz 3-pasmowego przy sterowaniu unipolarnym i bipolarnym. Zasadę działania silnika wyjaśniono na rysunku 1.8, na którym przedstawiono poszczególne fazy obrotu wirnika w przypadku sterowania pasm według sekwencji pokazanej na rysunku 1.7c. Zmiany momentu obrotowego w funkcji kąta obrotu wirnika są w silniku 3-pasmowym stosunkowo niewielkie. Można je jeszcze zminimalizować stosując odpowiednie algorytmy sterowania. W celu uzyskania praktycznie gładkiego momentu wymagany jest sinusoidalny przebieg prądu w poszczególnych pasmach, ale wówczas w zasadzie nie jest to już silnik prądu stałego. Rys.1.7. Przebiegi czasowe prądów poszczególnych pasm dla silnika a) 2-pasmowego i sterowaniu unipolarnym, b) 3pasmowego i sterowaniu unipolarnym, c) 3-pasmowego i sterowaniu bipolarnym 3 Rys.1.8. Zasada działania silnika 3-pasmowego Podział silników ze względu na rodzaj wirnika Silniki BLDC (i nie tylko) mogą mieć różną budowę wirnika. Silnik z wirnikiem wewnętrznym ma budowę ”klasyczną”, czyli wirnik w kształcie walca znajduje się wewnątrz stojana z uzwojeniami. W silniku z wirnikiem zewnętrznym, magnetyczny wirnik ma kształt kubka i obraca się wokół nieruchomego stojana. Silnik z wirnikiem zewnętrznym ma większy moment obrotowy, ale i większą bezwładność, co ogranicza jego zastosowanie, gdy wymagane jest bardzo szybkie rozpędzanie i hamowanie silnika. Duży moment bezwładności może być jednak dużą zaletą w niektórych przypadkach ponieważ może bardzo ułatwia stabilizację prędkości obrotowej w przypadku zmiany momentu obciążenia. Dodatkowo taki wirnik jest mało podatny na drgania które mogą się pojawić przy pracy z dużą prędkością obrotową. Takie rozwiązanie jest stosowane masowo w napędach dysków twardych, CD, DVD, wiatrakach itp. gdzie zależy nam na stabilizacji prędkości obrotowej. 4