Motore della valvola

Le macchine a corrente continua, di norma, hanno indicatori tecnici ed economici più elevati (linearità delle caratteristiche, alta efficienza, dimensioni ridotte, ecc.) rispetto alle macchine a corrente alternata. Uno svantaggio significativo è la presenza di un apparato a spazzola, che riduce l'affidabilità, aumenta il momento di inerzia, crea interferenze radio, pericolo di esplosione, ecc. Pertanto, naturalmente, il compito di creare un motore CC senza contatto (senza spazzole).

La soluzione a questo problema è diventata possibile con l'avvento dei dispositivi a semiconduttore. In un motore CC senza contatto, chiamato motore a corrente costante della valvola, il set di spazzole è sostituito da un interruttore a semiconduttore, l'armatura è stazionaria, il rotore è magnete permanente.

Il principio di funzionamento del motore a valvole

Il motore della valvola è inteso come un sistema di azionamento elettrico variabile costituito da un motore elettrico a corrente alternata strutturalmente simile a una macchina sincrona, un convertitore della valvola e dispositivi di controllo che forniscono la commutazione dei circuiti di avvolgimento del motore in funzione della posizione del rotore del motore.In questo senso un motore di valvola è assimilabile ad un motore in corrente continua in cui, tramite un interruttore di commutazione, viene collegata quella spira dell'avvolgimento di indotto che si trova al di sotto dei poli di campo.

Un motore a corrente continua è un complesso dispositivo elettromeccanico che combina la macchina elettrica più semplice e un sistema di controllo elettronico.

I motori a corrente continua presentano gravi inconvenienti, dovuti principalmente alla presenza di un collettore a spazzole:

1. Affidabilità insufficiente dell'apparato collettore, necessità della sua manutenzione periodica.

2. Valori limitati della tensione di armatura e, di conseguenza, della potenza dei motori CC, che ne limita l'uso per azionamenti ad alta velocità e potenza.

3. Limitata capacità di sovraccarico dei motori CC, che limita la velocità di variazione della corrente di armatura, essenziale per azionamenti elettrici altamente dinamici.

In un motore a valvole, questi svantaggi non si manifestano, poiché qui l'interruttore del collettore di spazzole è sostituito da un interruttore senza contatto realizzato su tiristori (per azionamenti ad alta potenza) o transistor (per azionamenti con una potenza fino a 200 kW ). Sulla base di ciò, un motore valvola strutturalmente basato su una macchina sincrona viene spesso chiamato motore CC senza contatto.

In termini di controllabilità, anche un motore brushless è simile a un motore CC: la sua velocità viene regolata variando l'entità della tensione CC applicata. Grazie alle loro buone qualità di regolazione, i motori delle valvole sono ampiamente utilizzati per azionare vari robot, macchine per il taglio dei metalli, macchine e meccanismi industriali.

Commutatore a transistor a magneti permanenti con azionamento elettrico

Il motore della valvola di questo tipo è realizzato sulla base di una macchina sincrona trifase con magneti permanenti sul rotore. Gli avvolgimenti di statore trifase sono alimentati con corrente continua fornita in serie a due avvolgimenti di fase collegati in serie. La commutazione degli avvolgimenti viene effettuata da un interruttore a transistor realizzato secondo un circuito a ponte trifase.Gli interruttori a transistor vengono aperti e chiusi a seconda della posizione del rotore del motore. Lo schema del motore della valvola è mostrato in fig.

Fico. 1. Schema di un motore valvola con interruttore a transistor

La coppia creata dal motore è determinata dall'interazione di due fili:

• lo statore creato dalla corrente negli avvolgimenti dello statore,

• rotore creato da magneti permanenti ad alta energia (a base di leghe samario-cobalto e altre).

dove: θ è l'angolo solido tra i vettori flusso di statore e rotore; pn è il numero di coppie polari.

Il flusso magnetico dello statore tende a ruotare il rotore del magnete permanente in modo che il flusso del rotore corrisponda in direzione al flusso dello statore (non dimenticare l'ago magnetico, la bussola).

Il momento più grande creato sull'albero del rotore sarà ad un angolo tra i vettori di flusso pari a π / 2 e diminuirà fino a zero man mano che i flussi di flusso si avvicinano. Questa dipendenza è mostrata in Fig. 2.

Consideriamo il diagramma spaziale dei vettori di flusso corrispondente al modo motore (con il numero di coppie di poli pn = 1). Supponiamo che al momento i transistor VT3 e VT2 siano accesi (vedi lo schema in Fig. 1). Quindi la corrente scorre attraverso l'avvolgimento della fase B e nella direzione opposta attraverso l'avvolgimento della fase A. Il vettore risultante ppm. lo statore occuperà la posizione F3 nello spazio (vedi figura 3).

Se ora il rotore si trova nella posizione indicata in fig. 4, allora il motore svilupperà secondo 1 la coppia massima alla quale il rotore girerà in senso orario. Man mano che l'angolo θ diminuisce, la coppia diminuirà. Quando il rotore viene ruotato di 30°, è necessario secondo il grafico di fig. 2. commutare la corrente nelle fasi del motore in modo che lo statore del vettore ppm risultante sia in posizione F4 (vedi Fig. 3). Per fare ciò, spegni il transistor VT3 e accendi il transistor VT5.

La commutazione di fase viene effettuata da un interruttore a transistor VT1-VT6 controllato dal sensore di posizione del rotore DR; in questo caso l'angolo θ viene mantenuto entro 90° ± 30°, che corrisponde al massimo valore di coppia con le più piccole increspature. A ρn = 1, devono essere effettuate sei commutazioni per un giro del rotore, quindi ppm. lo statore farà un giro completo (vedi Fig. 3). Quando il numero di coppie polari è maggiore dell'unità, la rotazione del vettore ppm dello statore e quindi del rotore sarà di 360/pn gradi.

Fico. 2. Dipendenza della coppia del motore dall'angolo tra i vettori di flusso dello statore e del rotore (a pn = 1)

Fico. 3. Diagramma spaziale dello statore ppm quando si cambiano le fasi del motore della valvola

Fico. 4. Diagramma spaziale in modalità motore

La regolazione del valore di coppia viene eseguita modificando il valore ppm. statore, cioè variazione del valore medio della corrente negli avvolgimenti dello statore

dove: R1 è la resistenza dell'avvolgimento dello statore.

Poiché il flusso del motore è costante, la fem indotta in due avvolgimenti statorici collegati in serie sarà proporzionale alla velocità del rotore.L'equazione di equilibrio elettrico per i circuiti dello statore sarà

Quando gli interruttori sono spenti, la corrente negli avvolgimenti dello statore non scompare immediatamente, ma viene chiusa attraverso i diodi inversi e il condensatore di filtro C.

Pertanto, regolando la tensione di alimentazione del motore U1, è possibile regolare l'entità della corrente dello statore e la coppia del motore

È facile vedere che le espressioni ottenute sono simili ad espressioni analoghe per un motore in corrente continua, con il risultato che le caratteristiche meccaniche di un motore valvola in questo circuito sono simili alle caratteristiche di un motore in corrente continua con eccitazione indipendente a Φ = const .

Viene apportata una modifica alla tensione di alimentazione del motore brushless nel circuito in esame con il metodo di regolazione dell'ampiezza dell'impulso… Modificando il ciclo di lavoro degli impulsi dei transistor VT1-VT6 durante i periodi della loro inclusione, è possibile regolare il valore medio della tensione fornita agli avvolgimenti dello statore del motore.

Per applicare la modalità di arresto, l'algoritmo di funzionamento dell'interruttore a transistor deve essere modificato in modo tale che il vettore ppm dello statore sia in ritardo rispetto al vettore flusso del rotore. Quindi la coppia del motore diventerà negativa. Poiché all'ingresso del convertitore è installato un raddrizzatore non controllato, la rigenerazione dell'energia di frenatura in questo circuito è impossibile.

Durante lo spegnimento viene ricaricato il condensatore del filtro C. La limitazione della tensione sui condensatori viene effettuata collegando la resistenza di scarica attraverso il transistor VT7. In questo modo l'energia frenante viene dissipata nella resistenza di carico.