Стан розвитку та перспективи схеми регулювання швидкості двигуна постійного струму
У процесі сучасного промислового виробництва практично немає місця без використання електроприводу. З безперервним удосконаленням технології виробництва, якості продукції та випуску для реалізації автоматичного регулювання швидкості потрібно все більше й більше виробничого обладнання. Систему електроприводу з регульованою швидкістю можна розділити на регулювання швидкості постійного струму та регулювання швидкості змінного струму. Двигун постійного струму має відмінні характеристики регулювання швидкості, плавне та зручне регулювання швидкості, легке плавне регулювання швидкості у великому діапазоні, велику здатність до перевантаження, може витримувати часті ударні навантаження, може здійснювати частий безступінчастий швидкий запуск, гальмування та зворотне обертання, і може відповідати різноманітним спеціальним вимогам до роботи в системі автоматизації виробничого процесу. Поки що він все ще широко використовується в металорізальних верстатах, папероробних машинах та інших галузях, що вимагають високопродуктивного керованого електроприводу, тому система регулювання швидкості постійного струму все ще широко використовується в різних виробничих відділах з високими вимогами до автоматичного керування. Дотепер це основна форма системи регулювання швидкості. Двигуни постійного струму поділяються на дві категорії: комутаторні та некомутаторні. Безщітковий двигун постійного струму розроблений на основі безщіткового двигуна постійного струму. У 1831 році Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції, що заклало теоретичні основи сучасного двигуна.
Перший двигун постійного струму був успішно розроблений у 1840-х роках. Для розвитку двигуна постійного струму знадобилося близько 70 років. З розширенням використання вимоги до двигуна постійного струму стають все вищими. Очевидно, що пристрій контактної комутації обмежує застосування щіткового двигуна постійного струму в багатьох випадках. Щоб замінити механічний контактний пристрій щіткової комутаторної конструкції щіткового двигуна постійного струму, люди провели довгострокове дослідження. Ще в 1915 році американець Лангміл винайшов ртутний випрямляч, який керував мережею, і зробив інверторний пристрій від постійного струму до змінного; У 1930-х роках було запропоновано використовувати іонний пристрій для реалізації так званого колекторного двигуна, в якому обмотка статора двигуна замінюється відповідно до положення ротора. Цей тип двигуна не має практичного значення через його низьку надійність, низьку ефективність і важкий і складний пристрій. Швидкий розвиток науки і техніки приніс стрибок у напівпровідникових технологіях. Успішний розвиток комутаційного транзистора привніс життєву силу в створення нового двигуна - безщіткового двигуна постійного струму.
Стан розвитку та перспективи схеми регулювання швидкості двигуна постійного струму
У 1955 році Д. Харрісон та інші в Сполучених Штатах вперше подали заявку на патент на заміну контакту щітки двигуна на транзисторну комутаційну лінію, яка є прототипом безщеткового двигуна постійного струму. Він складається з частини підсилення потужності, частини виявлення сигналу, корпусу магнітного полюса та схеми перемикання транзистора. Його принцип роботи полягає в тому, що при обертанні ротора в сигнальній обмотці W1 або W2 індукується періодичний сигнальний потенціал. Цей сигнал вмикає транзистори BG1 і BG2 відповідно, що змушує силові обмотки W1 і W2 живитися по черзі, тобто реалізується комутація. Проблема в тому, що, по-перше, коли ротор не обертається, в сигнальній обмотці немає наведеного потенціалу, транзистор не зміщений, а силова обмотка не може живити, тому цей безщітковий двигун не має пускового моменту; по-друге, через малу крутизну переднього фронту потенціалу сигналу споживана потужність транзистора велика. Щоб подолати ці недоліки, люди використовують комутатор відцентрового пристрою або встановлюють на статор допоміжну магнітну сталь, щоб забезпечити надійний запуск двигуна, але структура першого складна, а останньому все одно потрібен додатковий пусковий імпульс; Потім, після неодноразових експериментів і безперервної практики, люди нарешті знайшли механічний пристрій комутації з використанням датчика положення та електронної схеми комутації для заміни безщіткового двигуна постійного струму, що відкрило новий шлях для розвитку безщеткового двигуна постійного струму. На початку 1960-х років один за одним вийшли датчики положення безконтактного перемикача, датчик положення електромагнітного резонансу і високочастотний датчик положення зчеплення, які діють на наближення до чогось, а потім вийшли магнітоелектричні датчики положення та фотоелектричні датчики положення. Швидкий розвиток напівпровідникової технології, людей цікавить ефект Холла, відкритий американським Холлом у 1879 році. Після багатьох зусиль безщітковий двигун постійного струму за допомогою ефекту Холла був успішно виготовлений у 1962 році. З появою магнітно-чутливого діода, який У тисячі разів більш чутливий, ніж елемент Холла, на початку 1970-х років успішно розроблено безщітковий двигун постійного струму за допомогою магнітно-чутливого діода.
Розробляючи різні типи датчиків положення, люди намагаються знайти безщітковий двигун постійного струму без додаткової структури датчика положення. У 1968 р. ж. Міслінгер з колишньої Федеративної Республіки Німеччина запропонував новий метод здійснення комутації шляхом ємнісного фазового зсуву: на цій основі Р. Ханітш з колишньої Федеративної Республіки Німеччина успішно розробив безщітковий двигун постійного струму без додаткового датчика положення для здійснення комутації з комбінація цифрового кільцевого розподільника та дискримінатора перетину нуля. Люди були віддані дослідженню положення без датчиків. Відповідно до методу ідентифікації полюсного положення ротора синхронного двигуна, положення полюса ротора безщеткового двигуна постійного струму визначається опосередковано за допомогою індукованої електрорушійної сили (напруги) обмотки статора, тобто методом непрямого визначення. У порівнянні з методом прямого виявлення датчик положення опущено, що може спростити складність оригінальної конструкції корпусу двигуна. Він особливо підходить для невеликих розмірів і малої потужності безщіткових двигунів постійного струму. З 1980-х років, зі стрімким розвитком мікрокомп’ютерних технологій, безщітковий двигун постійного струму без датчика положення ротора увійшов у практичну стадію; Крім того, з появою багатофункціональних датчиків, датчик був використаний в системі сервоприводу безщіткового двигуна постійного струму для визначення положення полюса ротора, швидкості та положення сервоприводу одночасно.
Стан розвитку та перспективи схеми регулювання швидкості двигуна постійного струму
З моменту народження напівпровідникової технології в кінці 1950-х років швидкість розробки була дуже швидкою, а продуктивність силових напівпровідникових приладів поступово покращувалася. У той же час його відповідна керуюча схема також швидко розвивалася. Тепер одна керуюча схема може управляти трифазним і шістьма вимикачами, що значно спрощує периферійну схему.
Схема, особливо конструкція керуючого контуру. У той же час, поява високоефективних матеріалів з постійними магнітами, таких як самарій-кобальт і неодимове залізо, бор, заклало міцну основу для широкого застосування безщеткових двигунів постійного струму.
У деяких спеціальних сферах застосування, які вимагають високої ефективності та високої щільності потужності, це вказує на прекрасну перспективу безщеткового приводу постійного струму. Міжнародна розробка безщеткового двигуна постійного струму та його приводної системи з усіх аспектів триватиме. В результаті безщітковий двигун постійного струму і надалі залишатиметься об’єктом високопродуктивного безпозиционного сервопристрою в майбутньому.
У системі електроприводу постійного струму необхідне спеціальне регульоване джерело живлення постійного струму. По-перше, оригінальна система регулювання швидкості постійного струму використовувала постійну напругу для живлення якоря двигуна постійного струму та реалізувала регулювання швидкості шляхом зміни опору в ланцюзі якоря. Цей спосіб простий, простий у виготовленні і дешевий. Однак недоліками є низький ККД, м'які механічні характеристики і неможливість плавно регулювати швидкість в широкому діапазоні, тому в даний час використовується рідко. По-друге, наприкінці 1930-х років з'явився двигун-генератор (також відомий як група ротаційних перетворювачів). За допомогою магнітного підсилювача, розширювача двигуна, тиристора та інших пристроїв керування можна отримати чудові характеристики регулювання швидкості, такі як широкий діапазон регулювання швидкості (від 10:1 до десятків:1), невелика швидкість зміни швидкості та плавне регулювання швидкості, особливо коли двигун уповільнений, інерцію маховика на валу двигуна можна легко подати назад до електромережі через генератор. Таким чином, з одного боку, можна отримати плавні характеристики гальмування, з іншого боку, можна зменшити втрати енергії та підвищити ефективність. Однак основним недоліком системи регулювання швидкості генератора і двигуна є те, що до неї потрібно додати два обертових двигуна, еквівалентні двигуну регулювання швидкості, і деяке допоміжне обладнання збудження, тому важко підтримувати гучність.
Стан розвитку та перспективи схеми регулювання швидкості двигуна постійного струму
Двигуни постійного струму поділяються на дві категорії: комутаційні та некомутаторні. Система регулювання швидкості двигуна постійного струму вперше використовувала постійну напругу постійного струму для живлення двигуна постійного струму та реалізувала регулювання швидкості шляхом зміни опору в ланцюзі якоря. Цей спосіб простий, легкий у виготовленні і дешевий; Однак недоліками є низький ККД і м'які механічні характеристики, які не дозволяють отримати широке і плавне регулювання швидкості. Цей метод застосовний лише до деяких полів з низькою потужністю та без діапазону регулювання швидкості Close. Наприкінці 1930-х років з появою генератора та системи двигуна широко використовувався двигун постійного струму з відмінними характеристиками регулювання швидкості. Цей метод керування дозволяє отримати широкий діапазон регулювання швидкості, малу швидкість зміни швидкості та плавне регулювання швидкості. Однак основними недоліками цього методу є велика вага системи, велика зайнятість землі, низька ефективність і складність обслуговування. В останні роки, зі стрімким розвитком технології силової електроніки, система регулювання швидкості двигуна постійного струму, що живиться від тиристорного перетворювача, замінила генератор і систему регулювання швидкості двигуна, і її продуктивність регулювання швидкості значно перевищила показники швидкості генератора, динамічні характеристики та надійність. . Розвиток IGBT та інших високопотужних пристроїв у техніці силової електроніки замінює тиристори, і з’явилася система регулювання швидкості постійного струму з кращими характеристиками. Протягом тривалого часу дослідження в області моделювання зосереджувались на створенні імітаційної моделі, тобто після створення моделі системи слід розробити алгоритм, щоб модель системи була прийнята комп'ютером, а потім компілювалася в комп’ютерну програму і запустити на комп’ютері. Тому один за одним народжувалися різні алгоритми моделювання та програмне забезпечення для моделювання.
Оскільки досліджень щодо створення моделі та імітаційного експерименту мало, моделювання зазвичай займає багато часу. У той же час, аналіз результатів моделювання також має покладатися на відповідних експертів, а також відсутні прямі вказівки для осіб, які приймають рішення, що значно заважає прийняттю рішень, перешкоджає популяризації та застосуванню технології моделювання.
Simulink, інструмент моделювання динамічної системи, наданий MATLAB, є найпотужнішим, чудовим і простим у використанні серед багатьох програмних засобів моделювання. Це ефективно вирішує проблеми в вищевказаній технології моделювання. У Simulink моделювання системи стане дуже простим, а процес моделювання є інтерактивним, тому параметри моделювання можна змінювати за бажанням, а змінені результати можна отримати негайно. Крім того, результати моделювання можна проаналізувати та візуалізувати за допомогою різних інструментів аналізу в MATLAB.
Simulink може вийти за межі ідеальної лінійної моделі для дослідження більш реалістичних моделей нелінійних проблем, таких як тертя, опір повітря, зачеплення шестерень та інші природні явища в реальному світі; Він може моделювати великі зірки та невеликі молекулярні атоми. Він може моделювати та моделювати широкий спектр об’єктів, які можуть бути як механічними, електронними та іншими реальними об’єктами, так і ідеальними системами. Він може моделювати складність динамічної системи, яка може бути безперервною, дискретною або гібридною. Simulink зробить ваш комп'ютер лабораторією, за допомогою якої можна моделювати і моделювати різні системи, які існують, не існують або навіть навпаки в реальності.
До традиційних методів дослідження в основному належать аналітичний метод, експериментальний метод та імітаційний експеримент. Перші два способи мають не тільки свої переваги, але й різні обмеження. З розвитком технології виробництва висуваються підвищені вимоги до електроприводу при запуску і гальмуванні, прямому і зворотному обертанні, точності регулювання швидкості, діапазоні регулювання швидкості, статичних характеристиках, динамічній реакції тощо, що вимагає широкого використання швидкості. система регулювання. Завдяки хорошій продуктивності регулювання швидкості та контролю крутного моменту двигуна постійного струму система регулювання швидкості постійного струму використовується з 1930-х років. Процес його розробки полягає в наступному: від самого раннього управління блоком поворотного перетворювача до управління підсилювачем і магнітним підсилювачем. Далі регулювання швидкості постійного струму здійснюється за допомогою статичного тиристорного перетворювача та аналогового контролера. Пізніше схема управління ШІМ, що складається з керованого випрямляча та потужного транзистора, використовується для реалізації цифрового регулювання швидкості постійного струму, що постійно покращує швидкість, керованість та економічність системи. Постійне покращення ефективності регулювання швидкості робить застосування системи регулювання швидкості постійного струму все більш широким.
Стан розвитку та перспективи схеми регулювання швидкості двигуна постійного струму
З розвитком технології виробництва до електроприводу постійного струму висуваються підвищені вимоги щодо пуску й гальмування, прямого й зворотного обертання, точності регулювання, діапазону регулювання швидкості, статичних характеристик та динамічної реакції, що вимагає великої кількості систем регулювання швидкості постійного струму. Тому дослідження системи регулювання швидкості постійного струму будуть більш глибокими.
Двигун постійного струму є найпершим двигуном і першим двигуном, який реалізує регулювання швидкості. Протягом тривалого часу двигун постійного струму займав домінуюче положення в регулюванні швидкості. Завдяки хорошим характеристикам лінійного регулювання швидкості, простому керуванню, високій ефективності та чудовим динамічним характеристикам, він все ще є найкращим вибором для більшості двигунів регулювання швидкості. Тому велике значення має вивчення регулювання регулювання швидкості двигуна постійного струму. Напруга якоря двигуна постійного струму подається ланцюгом трифазного тиристорного випрямляча через згладжувальний реактор L, а кут керування тиристора регулюється зміною фазового сигналу управління UC тригера, щоб змінити вихідну напругу. випрямляча і реалізувати регулювання швидкості двигуна постійного струму. На малюнку 1-1 представлена принципова схема тиристорної системи регулювання швидкості двигуна постійного струму. На малюнку VT — тиристорний керований випрямляч. Регулюючи керуючу напругу Uc тригерного пристрою для переміщення фази тригерного імпульсу, середню випрямлену напругу UD можна змінити, щоб реалізувати плавне регулювання швидкості.
