Состояние разработки и перспективы схемы регулирования скорости двигателя постоянного тока
В процессе современного промышленного производства практически не обойтись без использования электропривода. С постоянным улучшением технологии производства, качества продукции и производительности все больше и больше производственного оборудования требуется для реализации автоматического регулирования скорости. Систему электропривода с регулируемой скоростью можно разделить на регулирование скорости постоянного тока и регулирование скорости переменного тока. Двигатель постоянного тока имеет отличные характеристики регулирования скорости, плавное и удобное регулирование скорости, легкое плавное регулирование скорости в большом диапазоне, большую перегрузочную способность, может выдерживать частые ударные нагрузки, может осуществлять частый бесступенчатый быстрый пуск, торможение и обратное вращение, а также может отвечают различным требованиям специальных операций в системе автоматизации производственного процесса. До сих пор он по-прежнему широко используется в металлорежущих станках, бумагоделательных машинах и других областях, требующих высокопроизводительного управляемого электропривода. Поэтому система регулирования скорости постоянного тока по-прежнему широко используется в различных производственных цехах с высокими требованиями к автоматическому управлению. Это основная форма системы регулирования скорости до сих пор. Двигатели постоянного тока делятся на две категории: коллекторные и неколлекторные. Бесщеточный двигатель постоянного тока разработан на основе бесщеточного двигателя постоянного тока. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, которое заложило теоретические основы современного двигателя.
Первый двигатель постоянного тока был успешно разработан в 1840-х годах. Потребовалось около 70 лет, чтобы двигатель постоянного тока созрел. С расширением использования требования к двигателю постоянного тока становятся все выше и выше. Очевидно, что контактное коммутационное устройство во многих случаях ограничивает применение щеточного двигателя постоянного тока. Чтобы заменить механическое контактное устройство щеточного коллектора щеточного двигателя постоянного тока, люди провели долгосрочное исследование. Еще в 1915 году американец Ленгмил изобрел ртутный выпрямитель, управляющий сетью, и сделал инверторное устройство от постоянного тока к переменному; В 1930-х годах было предложено использовать ионное устройство для реализации так называемого коллекторного двигателя, в котором статорная обмотка двигателя заменяется в соответствии с положением ротора. Этот тип двигателя не имеет практического значения из-за его плохой надежности, низкого КПД и тяжелого и сложного устройства в целом. Быстрое развитие науки и техники привело к скачку в технологии полупроводников. Успешная разработка переключающего транзистора вдохнула жизнь в создание нового двигателя - бесщеточного двигателя постоянного тока.
Состояние разработки и перспективы схемы регулирования скорости двигателя постоянного тока
В 1955 году Д. Харрисон и другие в США впервые подали заявку на патент на замену щеточного контакта двигателя на транзисторную коммутационную линию, которая является прототипом бесщеточного двигателя постоянного тока. Он состоит из части усиления мощности, части обнаружения сигнала, корпуса магнитного полюса и схемы переключения транзисторов. Принцип его работы заключается в том, что при вращении ротора в сигнальной обмотке W1 или W2 индуцируется периодический сигнальный потенциал. Этот сигнал включает транзисторы BG1 и BG2 соответственно, что заставляет силовые обмотки W1 и W2 питаться по очереди, то есть реализуется коммутация. Проблема в том, что, во-первых, когда ротор не вращается, в сигнальной обмотке нет наведенного потенциала, транзистор не смещен, а силовая обмотка не может питать, поэтому у этого бесколлекторного двигателя нет пускового момента; во-вторых, из-за малой крутизны переднего фронта сигнального потенциала велика потребляемая мощность транзистора. Чтобы преодолеть эти недостатки, используют коллектор центробежного устройства или размещают на статоре вспомогательную магнитную сталь для обеспечения надежного пуска двигателя, но конструкция первого сложна, а второй все же нуждается в дополнительном пусковом импульсе; Затем, после неоднократных экспериментов и непрерывной практики, люди, наконец, нашли механическое коммутационное устройство, использующее датчик положения и электронную коммутационную схему для замены бесщеточного двигателя постоянного тока, что открыло новый путь для разработки бесщеточного двигателя постоянного тока. В начале 1960-х годов датчик положения типа бесконтактного переключателя, датчик положения типа электромагнитного резонанса и датчик положения типа высокочастотной связи, которые действуют для приближения к чему-либо, появились один за другим, а затем появились магнитоэлектрическая связь и фотоэлектрические датчики положения. Быстрое развитие полупроводниковой технологии вызвало интерес к эффекту Холла, открытому американцем Холлом в 1879 году. После многих усилий в 1962 году был успешно испытан бесщеточный двигатель постоянного тока с помощью эффекта Холла. С появлением магниточувствительного диода, который в тысячи раз более чувствительный, чем элемент Холла, в начале 1970-х годов был успешно разработан бесщеточный двигатель постоянного тока с помощью магниточувствительного диода.
При разработке различных типов датчиков положения люди пытаются найти бесщеточный двигатель постоянного тока без дополнительной конструкции датчика положения. В 1968 году У. Мислингер из бывшей Федеративной Республики Германии предложил новый метод реализации коммутации с помощью емкостного фазовращателя: на его основе Р. Ханитш из бывшей Федеративной Республики Германии успешно разработал бесщеточный двигатель постоянного тока без дополнительного датчика положения для реализации коммутации с комбинация цифрового кольцевого распределителя и дискриминатора пересечения нуля. Люди были привержены исследованию положения без датчиков. Согласно методу определения положения полюса ротора синхронного двигателя, положение полюса ротора бесколлекторного двигателя постоянного тока определяется косвенно с использованием индуцированной электродвижущей силы (напряжения) обмотки статора, то есть методом косвенного определения. По сравнению с методом прямого обнаружения датчик положения отсутствует, что может упростить первоначальную конструкцию корпуса двигателя. Он особенно подходит для малогабаритных и маломощных бесщеточных двигателей постоянного тока. С 1980-х годов, с быстрым развитием микрокомпьютерных технологий, бесщеточный двигатель постоянного тока без датчика положения ротора вышел на практическую стадию; Кроме того, с появлением многофункциональных датчиков в системе сервопривода бесщеточного двигателя постоянного тока используется датчик для одновременного определения положения полюса ротора, скорости и положения сервопривода.
Состояние разработки и перспективы схемы регулирования скорости двигателя постоянного тока
С момента рождения полупроводниковой технологии в конце 1950-х годов скорость разработки очень высока, и производительность силовых полупроводниковых устройств постепенно улучшается. В то же время его соответствующая схема управления также быстро развивалась. Теперь одна схема управления может управлять трехфазным и шестью переключателями, что значительно упрощает периферийную схему.
Цепь, особенно конструкция управляющей цепи. В то же время появление высокопроизводительных материалов с постоянными магнитами, таких как самарий-кобальт и неодим-железо-бор, заложило прочную основу для широкого применения бесщеточных двигателей постоянного тока.
В некоторых специальных областях применения, требующих высокой эффективности и высокой удельной мощности, это указывает на блестящие перспективы бесщеточного двигателя постоянного тока. Международная разработка бесколлекторного двигателя постоянного тока и его приводной системы во всех аспектах будет продолжаться. В результате бесщеточный двигатель постоянного тока в будущем станет объектом высокопроизводительного беспозиционного сервопривода.
В системе электропривода постоянного тока необходим специальный управляемый источник питания постоянного тока. Во-первых, исходная система регулирования скорости постоянного тока использовала постоянное напряжение постоянного тока для питания якоря двигателя постоянного тока и осуществляла регулирование скорости путем изменения сопротивления в цепи якоря. Этот способ прост, удобен в производстве и дешев. Однако недостатками являются низкий КПД, мягкие механические характеристики и невозможность плавной регулировки скорости в широком диапазоне, поэтому в настоящее время он используется редко. Во-вторых, в конце 1930-х годов появился двигатель-генератор (также известный как роторно-преобразовательная группа). С помощью магнитного усилителя, моторного расширителя, тиристора и других устройств управления можно получить отличные характеристики регулирования скорости, такие как широкий диапазон регулирования скорости (от 10:1 до десятков:1), небольшая скорость изменения скорости и плавное регулирование скорости, особенно когда двигатель замедляется. Инерция маховика на валу двигателя может быть легко передана обратно в энергосистему через генератор. Таким образом, с одной стороны, можно получить плавные характеристики торможения, с другой стороны, можно уменьшить потери энергии и повысить эффективность. Однако основным недостатком системы регулирования скорости генератора и двигателя является необходимость добавления двух вращающихся двигателей, эквивалентных двигателю регулирования скорости, и некоторого вспомогательного оборудования возбуждения, что затрудняет поддержание объема.
Состояние разработки и перспективы схемы регулирования скорости двигателя постоянного тока
Двигатели постоянного тока делятся на две категории: коллекторные и неколлекторные. Система регулирования скорости двигателя постоянного тока сначала использовала постоянное напряжение постоянного тока для подачи питания на двигатель постоянного тока и осуществляла регулирование скорости путем изменения сопротивления в цепи якоря. Этот метод прост, удобен в производстве и дешев; Однако недостатками являются низкий КПД и мягкие механические характеристики, что не позволяет получить широкое и плавное регулирование скорости. Этот метод применим только для некоторых полей с малой мощностью и без диапазона регулирования скорости Close. В конце 1930-х годов появление системы генератора и двигателя сделало двигатель постоянного тока с отличными характеристиками регулирования скорости широко используемым. Этот метод управления позволяет получить широкий диапазон регулирования скорости, небольшую скорость изменения скорости и плавное регулирование скорости. Однако основными недостатками этого метода являются большой вес системы, занимаемая площадь, низкая эффективность и сложность обслуживания. В последние годы, с быстрым развитием силовой электронной технологии, система регулирования скорости двигателя постоянного тока с питанием от тиристорного преобразователя заменила систему регулирования скорости генератора и двигателя, и ее характеристики регулирования скорости намного превзошли характеристики генератора, динамические характеристики и надежность. . Разработка IGBT и других мощных устройств в технологии силовой электроники заменяет тиристоры, и появилась система регулирования скорости постоянного тока с лучшими характеристиками. В течение долгого времени исследования в области имитационного моделирования были сосредоточены на создании имитационной модели, то есть после создания модели системы должен быть разработан алгоритм, чтобы сделать модель системы приемлемой для компьютера, а затем скомпилировать в компьютерную программу и запустить на компьютере. Поэтому один за другим рождались различные алгоритмы моделирования и программное обеспечение для моделирования.
Поскольку исследований по созданию моделей и экспериментов по моделированию мало, моделирование обычно занимает много времени. В то же время, анализ результатов моделирования также должен опираться на соответствующих экспертов, и отсутствует прямое руководство для лиц, принимающих решения, что сильно затрудняет принятие решений. Это тормозит популяризацию и применение технологии моделирования.
Simulink, инструмент моделирования динамических систем, предоставляемый MATLAB, является самым мощным, превосходным и простым в использовании среди многих программ моделирования. Это эффективно решает проблемы в вышеупомянутой технологии моделирования. В Simulink моделирование системы станет очень простым, а процесс симуляции интерактивным, поэтому параметры симуляции можно будет менять по желанию, а измененные результаты можно будет получить сразу. Кроме того, результаты моделирования можно анализировать и визуализировать с помощью различных инструментов анализа в MATLAB.
Simulink может выйти за рамки идеальной линейной модели, чтобы исследовать более реалистичные модели нелинейных задач, таких как трение, сопротивление воздуха, зацепление зубчатых колес и другие природные явления в реальном мире; Он может моделировать большие звезды и маленькие молекулярные атомы. Он может моделировать и имитировать широкий спектр объектов, которые могут быть как механическими, электронными и другими реальными объектами, так и идеальными системами. Он может моделировать сложность динамической системы, которая может быть непрерывной, дискретной или гибридной. Simulink превратит ваш компьютер в лабораторию, с помощью которой можно моделировать и симулировать различные системы, которые существуют, не существуют или даже наоборот в реальности.
Традиционные методы исследования в основном включают аналитический метод, экспериментальный метод и имитационный эксперимент. Первые два метода имеют не только свои преимущества, но и различные ограничения. С развитием технологии производства к электроприводу предъявляются более высокие требования при пуске и торможении, прямом и обратном вращении, точности регулирования скорости, диапазоне регулирования скорости, статическим характеристикам, динамическому отклику и т.д., что требует широкого использования скорости. система регулирования. Благодаря хорошим характеристикам регулирования скорости и управления крутящим моментом двигателя постоянного тока система регулирования скорости постоянного тока используется с 1930-х годов. Процесс его развития выглядит следующим образом: от управления блоком самого раннего роторного преобразователя до управления усилителем и магнитным усилителем. Кроме того, регулирование скорости постоянного тока осуществляется статическим тиристорным преобразователем и аналоговым контроллером. Позже схема управления ШИМ, состоящая из управляемого выпрямителя и мощного транзистора, используется для реализации цифрового регулирования скорости постоянного тока, что постоянно улучшает быстродействие, управляемость и экономичность системы. Постоянное улучшение характеристик регулирования скорости делает применение системы регулирования скорости постоянного тока все более и более широким.
Состояние разработки и перспективы схемы регулирования скорости двигателя постоянного тока
С развитием технологии производства к электроприводу постоянного тока предъявляются более высокие требования по пуску и торможению, прямому и обратному вращению, точности регулирования, диапазону регулирования скорости, статическим характеристикам и динамическому отклику, что требует большого количества систем регулирования скорости постоянного тока. Поэтому исследование системы регулирования скорости постоянного тока будет более глубоким.
Двигатель постоянного тока - это самый ранний двигатель и самый ранний двигатель, в котором реализовано регулирование скорости. В течение долгого времени двигатель постоянного тока занимал доминирующее положение в управлении скоростью. Благодаря хорошим характеристикам линейного регулирования скорости, простоте управления, высокой эффективности и превосходным динамическим характеристикам, он по-прежнему является лучшим выбором для большинства двигателей с регулированием скорости. Поэтому очень важно изучить регулирование скорости двигателя постоянного тока. Напряжение якоря двигателя постоянного тока подается по схеме трехфазного тиристорного выпрямителя через сглаживающий реактор L, а угол управления тиристором регулируется путем изменения триггерного фазосдвигающего управляющего сигнала UC таким образом, чтобы изменить выходное напряжение выпрямителя и реализовать регулирование скорости двигателя постоянного тока. На рис. 1-1 представлена принципиальная схема тиристорной системы регулирования скорости двигателя постоянного тока. На рисунке ТН — тиристорный управляемый выпрямитель. Регулируя управляющее напряжение Uc пускового устройства для изменения фазы пускового импульса, можно изменить среднее выпрямленное напряжение UD, чтобы реализовать плавное регулирование скорости.
