Variklių pagrindai - teorija ir dėsniai, skirti varikliui sukurti

Ar kada susimąstėte, kaip sukasi variklis? Kokie yra pagrindai? Kaip tai kontroliuojama? Nuolatiniai nuolatinės srovės varikliai rinkoje yra nuo ilgo laiko ir jie lengvai sukasi tiesiog naudojant nuolatinės srovės maitinimo šaltinį / akumuliatorių, o asinchroniniai varikliai ir nuolatinio magneto sinchroniniai varikliai apima sudėtingą elektroniką ir valdymo teoriją, kad jie būtų efektyviai pasukti. Prieš pradedant net suprasti, kas yra nuolatinės srovės variklis ar kokie yra kitų tipų varikliai, svarbu suprasti linijinio variklio veikimą - patį pagrindinį variklį. Tai padės mums suprasti variklio sukimosi pagrindus.

Aš esu elektros elektronikos ir variklių valdymo inžinierius, o kitas tinklaraštis bus apie variklių valdymą. Tačiau yra tam tikrų temų, kurias būtina suprasti prieš einant į variklio valdymo gylį, ir mes jas aptarsime šiame straipsnyje.

1. Linijinio variklio veikimas
2. Variklių tipai ir jų istorija
3. Salsumas
4. Statoriaus ir rotoriaus srauto sąveika

Linijinio variklio veikimas

Būdamas elektros elektronikos inžinierius, apie variklių veikimą daug nežinojau. Perskaičiau daug užrašų, knygų ir nurodytų vaizdo įrašų. Man buvo sunku giliai suprasti kai kuriuos variklius ir jų valdymą, kol vėl nepaminėjau pagrindinių elektromechaninės energijos konversijos dėsnių - Faradėjaus ir Lorenco jėgos dėsnių. Mes praleisime šiek tiek laiko suprasdami šiuos įstatymus. Kai kurie iš jūsų tai jau gali žinoti, bet gerai dar kartą juos išgyventi. Galbūt sužinosite ką nors naujo.

Faradėjaus įstatymas

Faradėjaus indukcijos dėsnis nurodo ryšį tarp vielos ritės srauto ir joje sukeltos įtampos.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Kur Φ reiškia srautą ritėje. Tai yra viena iš pagrindinių lygčių, naudojamų išvesti variklio elektrinį modelį. Tokia situacija nepasitaiko praktiškuose varikliuose, nes ritė susidėtų iš kelių apsisukimų, paskirstytų erdvėje, ir mes turėtume atsižvelgti į srautą per kiekvieną iš šių posūkių. Terminas „srauto susiejimas“ (λ) reiškia bendrą srautą, susietą su visomis ritėmis.

Φ _n reiškia srautą, susietą su n ^-ąja ritė, o N yra posūkių skaičius. Jį galima apibūdinti kaip ritę sudarančią iš N vieno posūkio nuosekliai. Taigi,

λ = Nφe (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Minuso ženklas dažniausiai priskiriamas Lenzo dėsniui.

Lenzo įstatymas nurodo: EMF (elektromotorinė jėga) vielos ritėje sukeliama, jei pasikeičia su ja susijęs srautas. EMF poliškumas yra toks, kad jei per jį būtų nukreiptas rezistorius, jame tekanti srovė prieštarautų srauto pokyčiams, kurie sukėlė tą EML.

Supraskime Lenzo dėsnį per laidininką (strypą), įdėtą į magnetinį lauką (B̅), nukreiptą žemyn į popieriaus plokštumą, kaip parodyta aukščiau. _Taikoma jėga F judina strypą horizontaliai, tačiau strypas visada liečiasi su horizontaliaisiais laidininkais. Išorinis rezistorius R naudojamas kaip šuntas, kad srovė tekėtų. Taigi, susitarimas veikia kaip paprasta elektros grandinė, turinti įtampos šaltinį (sukeltą EMF) ir rezistorių. Su šia kilpa susietas srautas keičiasi, nes plotas, susietas su B̅, didėja. Tai sukuria EMF grandinėje pagal Faradėjaus dėsnį (dydį lemia srautas keičiasi greitai) ir Lenzo dėsnį (poliškumas nustatomas taip, kad sukelta srovė priešinsis srauto pokyčiams).

Dešinės rankos nykščio taisyklė padės mums žinoti srovės kryptį. Jei susisuksime pirštus sukeltos srovės kryptimi, tai nykščiu ta sukelta srovė parodys sukurto lauko kryptį. Šiuo atveju, norėdami pasipriešinti didėjančiam srautui dėl B̅ lauko, turime išvystyti lauką iš popieriaus plokštumos, taigi srovė tekės prieš laikrodžio rodyklę. Todėl terminalas A yra labiau teigiamas nei terminalas B. Apkrovos požiūriu teigiamas EMF yra sukuriamas didėjant srautui, todėl lygtį parašysime kaip

e (t) = d λ / dt

Atkreipkite dėmesį, kad mes nepaisėme neigiamo ženklo, kai rašome šią lygtį apkrovos požiūriu. (Panašus atvejis iškils, kai pradėsime spręsti variklius). Galutinė elektros grandinė bus tokia, kaip parodyta žemiau. Nors aptariamas atvejis yra generatorius, mes naudojome ženklų susitarimą variklio požiūriu, o toliau pateiktame paveikslėlyje parodytas poliškumas yra teisingas. (Tai taps akivaizdu, kai pereisime prie variklio veikimo).

Sukeltą EMF galime apskaičiuoti taip. 1 apsisukimo ritė (šiuo atveju laidininkas) sukels srauto ryšį:

Kur A reiškia kilpos plotą, l yra laidininko ilgis, v yra greitis, kuriuo strypas juda dėl pritaikytos jėgos.

Pažvelgus į aukščiau pateiktą lygtį, galime pasakyti, kad EMF dydis yra proporcingas laidininko greičiui ir nepriklauso nuo išorinio rezistoriaus. Bet išorinis rezistorius nustatys, kiek jėgos reikia greičiui (taigi ir srovei) palaikyti. Ši diskusija tęsiama Lorentzo įstatymo forma.

Lorenco įstatymas

Pirmiausia patikrinsime lygtį ir tada bandysime ją suprasti.

F = q. (E + Vc x B)

Jame teigiama, kad kai krūvio q dalelė elektromagnetiniame lauke juda v _c greičiu, ji patiria jėgą. Variklyje elektrinis laukas E nesvarbus. Taigi, F = q. Vc. B

Jei laukas yra pastovus per laidininko ilgį ir statmenas jam, mes galime parašyti aukščiau pateiktas lygtis:

F = q. dx / dt. B = dq / dt. x. B = il B = B. i. l

Tai rodo, kad jėga, veikianti krūvį, yra tiesiogiai proporcinga srovei.

Grįžtant prie pirmojo paveikslo, mes matėme, kad išorinė jėga sukelia EMF, sukeliančią srovę rezistoriuje. Visa energija pasiskirsto kaip šiluma rezistoriuje. Energijos išsaugojimo įstatymas turėtų būti įvykdytas, taigi gauname:

F. v = e. i

Ši lygtis rodo, kaip mechaninė energija paverčiama elektros energija. Šis išdėstymas vadinamas tiesiniu generatoriumi.

Galiausiai galime patikrinti, kaip veikia variklis, ty kaip elektros energija paverčiama mechanine. Žemiau pateiktame paveikslėlyje mes pakeitėme išorinį rezistorių grandinės rezistoriumi ir dabar yra išorinis įtampos šaltinis, kuris tiekia srovę. Šiuo atveju _stebėsime Lorentzo dėsniu sukurtą jėgą (F _DEVELOPED). Jėgos kryptį galima nustatyti pagal dešinės rankos taisyklę, parodytą žemiau

Taip veikia linijinis variklis. Visi varikliai yra kilę iš šių pagrindinių principų. Yra daug išsamių straipsnių ir vaizdo įrašų, kuriuos rasite aprašydami šlifuoto nuolatinės srovės variklio, be šepetėlių variklių, PMSM variklių, indukcinių variklių ir kt. Veikimą. Taigi nėra prasmės pateikti dar vieną straipsnį, apibūdinantį operaciją. Čia yra nuoroda į keletą gerų mokomųjų vaizdo įrašų apie skirtingus variklių tipus ir jų veikimą.

Variklių istorija

• Istoriškai buvo plačiai naudojami trijų tipų varikliai - šepetėlių komutatoriaus nuolatinės srovės, sinchroniniai ir asinchroniniai varikliai. Daugelis programų reikalauja skirtingo greičio, o nuolatinės srovės varikliai buvo plačiai naudojami. Tačiau tiristorių įvedimas apie 1958 m. Ir tranzistorių technologija pakeitė sceną.
• Buvo sukurti keitikliai, kurie padėjo efektyviai valdyti greitį. Tranzistorinius įtaisus buvo galima įjungti ir išjungti savo nuožiūra ir tai leido PWM veikti. Pagrindinės anksčiau sukurtos valdymo schemos buvo indukcinių mašinų V / f pavaros.
• Lygiagrečiai, nuolatiniai magnetai pradėjo keisti lauko ritinius, kad pagerėtų efektyvumas. Inverterio naudojimas kartu su sinusinėmis nuolatinio magneto mašinomis leido pašalinti šepečius, kad pagerėtų variklio tarnavimo laikas ir patikimumas.
• Kitas svarbus žingsnis buvo šių mašinų valdymas be šepetėlių. Dviejų reakcijų teoriją (arba dq teoriją) Andre Blondel pristatė Prancūzijoje iki 1900 m. Ji buvo sujungta su sudėtingais kosmoso vektoriais, kurie leido tiksliai modeliuoti mašiną trumpalaikėje ir pastovioje būsenoje. Pirmą kartą elektriniai ir mechaniniai dydžiai galėjo būti susiję vienas su kitu.
• Indukciniai varikliai nematė didelių pokyčių iki 1960 m. Du vokiečiai - Blaschke'as ir Hasse'as - padarė keletą pagrindinių naujovių, kurios paskatino dabar garsų asinchroninių variklių vektorinį valdymą. Vektorinis valdymas susijęs su pereinamuoju asinchroninio variklio modeliu, o ne su pastovia būsena. Be įtampos amplitudės ir dažnio santykio valdymo, jis taip pat kontroliuoja fazę. Tai padėjo asinchroninį variklį naudoti greičio valdyme ir didelės dinamikos servo programose.
• Be jutiklių algoritmas buvo kitas didelis žingsnis valdant šiuos variklius. Vektoriniam valdymui (arba valdymui į lauką) reikia žinoti rotoriaus padėtį. Brangūs padėties jutikliai buvo naudojami anksčiau. Galimybė įvertinti rotoriaus padėtį pagal variklio modelį leido varikliams veikti be jokių jutiklių.
• Nuo to laiko pakeitimų buvo labai nedaug. Variklio konstrukcija ir jo valdymas daugmaž nesikeičia.

Varikliai vystėsi nuo praėjusio amžiaus. Elektronika padėjo juos naudoti įvairiose programose. Didžiąją dalį pasaulyje sunaudojamos elektros energijos sunaudoja varikliai!

Skirtingi variklių tipai

Variklius galima klasifikuoti labai įvairiai. Mes pažvelgsime į kai kurias klasifikacijas.

Tai yra bendriausia klasifikacija. Dėl kintamosios ir nuolatinės srovės variklių kilo daug painiavos, todėl svarbu juos atskirti. Laikykimės šios konvencijos: varikliai, kuriems reikalingas kintamosios srovės maitinimas „jo gnybtuose“, vadinami kintamosios srovės varikliu ir kurie gali veikti nuolatinės srovės šaltiniu „jo gnybtuose“, vadinami nuolatinės srovės varikliu. „Jo gnybtuose“ yra svarbu, nes jis pašalina, kokia elektronika naudojama varikliui valdyti. Pavyzdžiui: bešepetinis nuolatinės srovės variklis iš tikrųjų negali veikti tiesiai iš nuolatinės srovės maitinimo šaltinio ir tam reikalinga elektroninė grandinė.

Variklis gali būti klasifikuojamas pagal maitinimo šaltinį ir pagal komutaciją - šepečiu arba be šepetėlių, kaip parodyta žemiau

Nors aš nesigilinu į nė vieno iš aukščiau išvardytų variklių variklių dizainą - norėčiau aptarti dvi svarbias temas - rotoriaus srauto druskingumas ir sąveika su statoriaus srautu.

Salsumas

Mašinos parametrų, tokių kaip sukimo momento gamyba ir induktyvumas, aspektus įtakoja mašinos magnetinė struktūra (nuolatinio magneto mašinose). Ir pats svarbiausias aspektas yra salityvumas. Salityvumas yra nenoro pasikeitimo su rotoriaus padėtimi matas. Kol šis nenoras yra pastovus kiekvienoje rotoriaus padėtyje, mašina vadinama nesvarbia. Jei nenoras kinta priklausomai nuo rotoriaus padėties, mašina vadinama svarbiausia.

Kodėl svarbu suprasti skaidrumą? Nes svarbiausias variklis sukimo momentui gauti gali turėti du būdus. Mes galime pasinaudoti variklio nenoro pokyčiais, kad gautume nenoro sukimo momentą kartu su magnetiniu sukimo momentu (kurį sukuria magnetai). Kaip parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje, mes galime pasiekti didesnius tos pačios srovės sukimo momento lygius, pridėdami nenoro sukimo momentą. Taip bus su IPM („Interior Permanent Magnet“) varikliais. (Yra variklių, kurie grynai veikia nenorą, tačiau čia jų neaptarsime.) Kita tema padės jums daug geriau suprasti srauto ryšį ir salietiškumą.

(Pastaba: Žemiau pateiktame paveikslėlyje kampo pažanga nurodo fazių skirtumą tarp statoriaus srovės ir oro tarpo srauto.)

Srauto rotoriaus ir statoriaus sąveika

Variklio srautas eina iš rotoriaus per oro tarpą į statorių ir vėl grįžta per oro tarpą atgal į rotorių, kad užbaigtų lauko kilpą. Tuo keliu srautas mato skirtingus nenoriai (magnetinę varžą). Laminacijų (plieno) nenoras yra labai mažas dėl didelio μ _r (santykinis plieno pralaidumas yra tūkstančių intervale), o oro tarpas yra labai didelis (μ _r yra maždaug lygus 1).

Visame pliene sukurta MMF (magnetomotyvo jėga) yra labai mažesnė, nes ji turi nereikšmingą nenorą, palyginti su oro tarpu. (Analogas elektrinei grandinei būtų: įtampos šaltinis (magnetas) varo srovę (srautą) per rezistorių (oro tarpo nenoras). Prie rezistoriaus prijungti laidininkai (plienas) turi labai mažą varžą ir mes galime nepaisyti įtampos kritimo (PRF kritimas). Taigi statoriaus ir rotoriaus plieno konstrukcija turi nereikšmingą įtaką, o visas PRF yra sukurtas visam efektyviam oro tarpo nenorui (laikoma, kad bet kurios spalvotosios medžiagos srauto kelyje santykinis pralaidumas yra lygus oro tarpo pralaidumui).. Oro tarpo ilgis yra nereikšmingas, palyginti su rotoriaus skersmeniu, ir galima drąsiai manyti, kad srautas iš rotoriaus yra statmenas statoriui.Dėl plyšių ir dantų yra šalutinių efektų ir kitų netiesiškumų, tačiau modeliuojant mašiną jų paprastai nepaisoma. (Negalite jų ignoruoti projektuodami mašiną). Tačiau oro tarpo srautą suteikia ne tik rotoriaus srautas (magnetai, jei tai yra nuolatinio magneto mašina). Statoriaus ritės srovė taip pat prisideda prie srauto. Būtent šių 2 srautų sąveika nulems variklį veikiantį sukimo momentą. Tai apibūdinantis terminas vadinamas efektyviu oro tarpų srauto sujungimu. Idėja yra ne eiti į matematiką ir išvesti lygtis, bet atimti du taškus:Tačiau oro tarpo srautą suteikia ne tik rotoriaus srautas (magnetai, jei tai yra nuolatinio magneto mašina). Statoriaus ritės srovė taip pat prisideda prie srauto. Būtent šių 2 srautų sąveika nulems variklį veikiantį sukimo momentą. Tai apibūdinantis terminas vadinamas efektyviu oro tarpų srauto sujungimu. Idėja yra ne eiti į matematiką ir išvesti lygtis, bet atimti du taškus:Tačiau oro tarpo srautą suteikia ne tik rotoriaus srautas (magnetai, jei tai yra nuolatinio magneto mašina). Statoriaus ritės srovė taip pat prisideda prie srauto. Būtent šių 2 srautų sąveika nulems variklį veikiantį sukimo momentą. Tai apibūdinantis terminas vadinamas efektyviu oro tarpų srauto sujungimu. Idėja yra ne eiti į matematiką ir išvesti lygtis, bet atimti du taškus:

• Mums rūpi tik oro tarpo srautas, nes visame jame yra sukurtas visas PRF.
• Efektyvų srauto ryšį oro tarpelyje lemia tiek statoriaus srovė, tiek rotoriaus srautas (magnetai), o sąveika tarp jų sukelia sukimo momentą.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodytas įvairių tipų variklių rotorius ir statorius. Įdomu būtų sužinoti, kurie iš jų yra ryškūs, o kurie ne?

Pastaba: Kiekviename iš šių variklių yra pažymėtos dvi ašys - D ir Q. (Q ašis yra magnetinė ašis, o D ašis yra elektrai statmena jai). Ateities straipsniuose grįšime prie D ir Q ašies. Minėtam klausimui tai nėra svarbu.

Atsakymas:

A, B, C - nepastebimas, D, E, F, G, H - ryškus (magnetai veikia nenorą skirtingoje rotoriaus padėtyje, žr. Paveikslėlį žemiau, J, K - tiek rotorius, tiek statorius nėra ryškūs.

Šiuo metu mes baigsime šį straipsnį. Būtų galima aptarti daug daugiau matematikos ir mašininio modeliavimo, tačiau čia tai pasidarytų per daug sudėtinga. Apžvelgėme daugumą temų, kurios reikalingos norint suprasti variklio valdymą. Kita straipsnių serija bus tiesiogiai perkelta į lauką valdantį valdymą (FOC), kosmoso vektoriaus moduliaciją (SVM), srauto silpnėjimą ir visus praktinius aparatinės bei programinės įrangos aspektus, kuriuose galite užstrigti pradėję kurti valdiklį.