Podstawy silników - teoria i prawa projektowania silnika

Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak obraca się silnik? Jakie są podstawy? Jak to jest kontrolowane? Silniki szczotkowe DC są na rynku od dawna i łatwo obracają się tylko na zasilaniu / akumulatorze prądu stałego, podczas gdy silniki indukcyjne i silniki synchroniczne z magnesami trwałymi wymagają złożonej elektroniki i teorii sterowania, aby efektywnie je obracać. Zanim przejdziemy do tego, czym jest silnik prądu stałego lub jakie są inne typy silników, ważne jest, aby zrozumieć działanie silnika liniowego - najbardziej podstawowego silnika. Pomoże nam to zrozumieć podstawy obracania się silnika.

Jestem inżynierem energoelektroniki i sterowania silnikami, a następny blog będzie dotyczył sterowania silnikami. Ale są pewne tematy, które należy zrozumieć, zanim zagłębimy się w kontrolę motoryczną i omówimy je w tym artykule.

1. Działanie silnika liniowego
2. Rodzaje silników i ich historia
3. Saliency
4. Interakcja strumienia między stojanem a wirnikiem

Działanie silnika liniowego

Będąc inżynierem energoelektroniką niewiele wiedziałem o działaniu silników. Przeczytałem wiele notatek, książek i poleconych filmów. Trudno mi było zrozumieć niektóre silniki i ich sterowanie dogłębnie, dopóki nie odniosłem się ponownie do podstawowych praw elektromechanicznej konwersji energii - prawa siły Faradaya i Lorentza. Spędzimy trochę czasu na zrozumieniu tych praw. Niektórzy z Was mogą już to wiedzieć, ale dobrze jest przejść przez nie jeszcze raz. Możesz nauczyć się czegoś nowego.

Prawo Faradaya

Prawo indukcji Faradaya określa zależność między strumieniem cewki drutu a indukowanym w nim napięciem.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Gdzie Φ oznacza strumień w cewce. Jest to jedno z podstawowych równań używanych do wyprowadzenia modelu elektrycznego silnika. Taka sytuacja nie występuje w praktycznych silnikach, ponieważ cewka składałaby się z pewnej liczby zwojów rozłożonych w przestrzeni i musielibyśmy uwzględnić strumień przez każdy z tych zwojów. Termin powiązanie strumienia (λ) reprezentuje całkowity strumień związany ze wszystkimi cewkami i jest określony przez następujące równanie

Φ _n oznacza strumień związany z n- ^tą cewką, a N to liczba zwojów. Można to opisać jako cewkę utworzoną z N pojedynczych zwojów w konfiguracji szeregowej. A zatem,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Znak minus jest zwykle przypisywany prawu Lenza.

Prawo Lenza stwierdza, co następuje: EMF (siła elektromotoryczna) jest indukowana w cewce drutu, jeśli zmienia się związany z nią strumień. Biegunowość pola elektromagnetycznego jest taka, że ​​jeśli rezystor byłby na nim bocznikowany, przepływający przez niego prąd przeciwstawiłby się zmianie strumienia, który indukował tę EMF.

Rozumiemy prawo Lenza poprzez przewodnik (pręt) umieszczony w polu magnetycznym (B̅) skierowany w dół do płaszczyzny papieru, jak pokazano na powyższym rysunku. Siła F _zastosowano przemieszcza pręt poziomo lecz pręt znajduje się zawsze w styku z przewodami poziome. Zewnętrzny rezystor R jest używany jako bocznik, aby umożliwić przepływ prądu. Tak więc układ działa jak prosty obwód elektryczny ze źródłem napięcia (indukowana siła elektromagnetyczna) i rezystorem. Strumień związany z tą pętlą zmienia się wraz ze wzrostem obszaru związanego z B̅. To indukuje pole elektromagnetyczne w obwodzie zgodnie z prawem Faradaya (o wielkości decyduje szybkość zmiany strumienia) i prawem Lenza (biegunowość jest tak określona, ​​że ​​indukowany prąd będzie przeciwstawiał się zmianie strumienia).

Zasada kciuka prawej ręki pomoże nam poznać kierunek prądu. Jeśli skręcimy palce w kierunku indukowanego prądu, kciuk wskaże kierunek generowanego pola przez ten indukowany prąd. W tym przypadku, aby przeciwstawić się rosnącemu strumieniowi wywołanemu przez pole B̅, musimy rozwinąć pole o pole poza płaszczyzną papieru, a zatem prąd będzie płynął w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. W rezultacie zacisk A jest bardziej dodatni niż zacisk B.Z punktu widzenia obciążenia, dodatnia siła elektromotoryczna jest rozwijana wraz ze wzrostem strumienia, a zatem zapiszemy równanie jako

e (t) = d λ / dt

Zauważ, że zignorowaliśmy znak ujemny, pisząc to równanie z punktu widzenia obciążenia. (Podobny przypadek pojawi się, gdy zaczniemy zajmować się silnikami). Końcowy obwód elektryczny będzie miał postać jak na poniższym rysunku. Chociaż omawiany przypadek dotyczy generatora, zastosowaliśmy konwencję znaków z punktu widzenia silnika i polaryzacja pokazana na poniższym rysunku jest poprawna. (Stanie się oczywiste, kiedy przejdziemy do pracy silnika).

Możemy obliczyć indukowane pole elektromagnetyczne w następujący sposób. Cewka z 1 zwojem (przewodnik w tym przypadku) wytworzy połączenie strumienia:

Gdzie A reprezentuje obszar pętli, l jest długością przewodnika, v jest prędkością, z jaką pręt porusza się z powodu przyłożonej siły.

Patrząc na powyższe równanie, możemy powiedzieć, że wielkość pola elektromagnetycznego jest proporcjonalna do prędkości przewodnika i niezależna od zewnętrznego rezystora. Ale zewnętrzny rezystor określi, jaka siła jest potrzebna do utrzymania prędkości (a tym samym prądu). Ta dyskusja jest kontynuowana w formie prawa Lorentza.

Prawo Lorentza

Najpierw sprawdzimy równanie, a następnie spróbujemy je zrozumieć.

F = q. (E + Vc x B)

To oznacza, że jeżeli cząstki o ładunku q przemieszcza się z prędkością v _C w polu elektromagnetycznym, doświadcza siły. W silniku pole elektryczne E nie ma znaczenia. A zatem, F = q. Vc. b

Jeżeli pole jest stałe w czasie na długości przewodnika i prostopadłe do niego, to powyższe równania możemy zapisać jako:

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

Pokazuje, że siła działająca na ładunek jest wprost proporcjonalna do prądu.

Wracając do pierwszego rysunku, widzieliśmy, że przyłożona siła zewnętrzna indukuje pole elektromagnetyczne, które indukuje prąd w rezystorze. Cała energia jest rozpraszana w postaci ciepła w rezystorze. Prawo zachowania energii powinno być spełnione i otrzymujemy:

F. v = e. ja

To równanie przedstawia sposób przekształcania energii mechanicznej w energię elektryczną. Taki układ nazywa się generatorem liniowym.

Wreszcie możemy sprawdzić, jak działa silnik, czyli jak energia elektryczna jest przekształcana w energię mechaniczną. Na poniższym rysunku wymieniliśmy rezystor zewnętrzny na rezystor skupiony obwodu, a teraz jest zewnętrzne źródło napięcia, które dostarcza prąd. W tym przypadku, będziemy obserwować siłę rozwiniętą (F _ROZWOJOWĄ) nadaną przez Prawo Lorentza. Kierunek siły można określić za pomocą reguły prawej ręki pokazanej poniżej

Tak działa silnik liniowy. Wszystkie silniki wywodzą się z tych podstawowych zasad. Istnieje wiele szczegółowych artykułów i filmów opisujących działanie szczotkowanego silnika prądu stałego, silników bezszczotkowych, silników PMSM, silników indukcyjnych itp. Nie ma więc sensu robić jeszcze jednego artykułu opisującego działanie. Oto link do niektórych dobrych filmów edukacyjnych na temat różnych typów silników i ich działania.

Historia silników

• Historycznie rzecz biorąc, szeroko stosowano trzy typy silników - silniki prądu stałego z komutatorem szczotkowym, silniki synchroniczne i silniki indukcyjne. Wiele aplikacji wymaga zmiennej prędkości, a silniki prądu stałego były szeroko stosowane. Ale wprowadzenie tyrystorów około 1958 r. I technologia tranzystorowa zmieniły scenę.
• Opracowano falowniki, które pomogły w wydajnej aplikacji do sterowania prędkością. Urządzenia tranzystorowe można było dowolnie włączać i wyłączać, co pozwalało na działanie PWM. Podstawowymi schematami sterowania, które zostały opracowane wcześniej, były napędy U / f dla maszyn indukcyjnych.
• Równolegle magnesy trwałe zaczęły zastępować cewki polowe, aby poprawić wydajność. A zastosowanie falownika wraz z sinusoidalnymi maszynami z magnesami trwałymi pozwoliło na wyeliminowanie szczotek, aby poprawić żywotność i niezawodność silnika.
• Następnym ważnym krokiem było opanowanie tych maszyn bezszczotkowych. Teoria dwóch reakcji (lub teoria dq) została wprowadzona przez Andre Blondela we Francji przed 1900 rokiem. Została połączona ze złożonymi wektorami przestrzennymi, co pozwoliło na dokładne modelowanie maszyny w stanie nieustalonym i ustalonym. Po raz pierwszy wielkości elektryczne i mechaniczne mogą być ze sobą powiązane.
• Silniki indukcyjne nie widziały większych zmian aż do 1960 roku. Dwóch Niemców - Blaschke i Hasse wprowadziło kilka kluczowych innowacji, które doprowadziły do ​​słynnego teraz sterowania wektorowego silników indukcyjnych. Sterowanie wektorowe zajmuje się przejściowym modelem silnika indukcyjnego, a nie stanem ustalonym. Oprócz sterowania stosunkiem amplitudy napięcia do częstotliwości, kontroluje również fazę. Pomogło to w zastosowaniu silnika indukcyjnego w sterowaniu prędkością i zastosowaniach serwonapędów o wysokiej dynamice.
• Algorytm bezczujnikowy był kolejnym dużym krokiem w sterowaniu tymi silnikami. Sterowanie wektorowe (lub sterowanie zorientowane na pole) wymaga znajomości położenia wirnika. Drogie czujniki pozycji były używane wcześniej. Możliwość oszacowania położenia wirnika na podstawie modelu silnika umożliwiła pracę silników bez czujników.
• Od tego czasu wprowadzono bardzo niewiele zmian. Konstrukcja silnika i jego sterowanie pozostają mniej więcej takie same.

Silniki ewoluowały od ubiegłego wieku. Elektronika pomogła w ich wykorzystaniu w różnych zastosowaniach. Większość energii elektrycznej używanej na tym świecie jest zużywana przez silniki!

Różne typy silników

Silniki można klasyfikować na wiele różnych sposobów. Przyjrzymy się niektórym klasyfikacjom.

To jest najbardziej ogólna klasyfikacja. Było wiele nieporozumień dotyczących silników prądu przemiennego i prądu stałego i ważne jest, aby je rozróżnić. Trzymajmy się następującej konwencji: silniki wymagające zasilania prądem przemiennym „na zaciskach” są nazywane silnikami prądu przemiennego, a które mogą pracować przy zasilaniu prądem stałym „na zaciskach”, nazywane są silnikami prądu stałego. „Na jego zaciskach” jest ważne, ponieważ eliminuje rodzaj elektroniki używany do napędzania silnika. Na przykład: bezszczotkowy silnik prądu stałego w rzeczywistości nie może pracować bezpośrednio na zasilaniu stałym i wymaga obwodu elektronicznego.

Silnik można sklasyfikować na podstawie zasilania i na podstawie komutacji - szczotkowy lub bezszczotkowy, jak pokazano poniżej

Chociaż nie będę zagłębiać się w konstrukcję żadnego z powyższych silników - Są dwa ważne tematy, którymi chciałbym się zająć - Saliency i interakcja strumienia wirnika ze strumieniem stojana.

Saliency

Na aspekty parametrów maszyn, takie jak wytwarzanie momentu obrotowego i indukcyjność, wpływa struktura magnetyczna maszyny (w maszynach z magnesami trwałymi). A najbardziej podstawowym z tego aspektu jest istotność. Występowanie jest miarą zmiany oporu wraz z położeniem wirnika. Dopóki ta niechęć jest stała w każdym położeniu wirnika, maszyna jest nazywana nieistotną. Jeśli niechęć zmienia się wraz z położeniem wirnika, maszyna jest nazywana wybitną.

Dlaczego istotne jest zrozumienie? Ponieważ wyraźny silnik może teraz mieć dwie metody wytwarzania momentu obrotowego. Możemy wykorzystać zmianę reluktancji w silniku do wytworzenia momentu reluktancyjnego razem z momentem magnetycznym (wytwarzanym przez magnesy). Jak pokazano na poniższym rysunku, możemy osiągnąć wyższe poziomy momentu obrotowego dla tego samego prądu po dodaniu momentu reluktancyjnego. Tak będzie w przypadku silników IPM (Interior Permanent Magnet). (Istnieją silniki, które działają wyłącznie na efekt reluktancji, ale nie będziemy ich tutaj omawiać). Następny temat pomoże ci znacznie lepiej zrozumieć sprzężenie strumieniowe i istotność.

(Uwaga: kąt przesunięcia na poniższym rysunku odnosi się do różnicy faz między prądem stojana a strumieniem szczeliny powietrznej).

Oddziaływanie strumienia między wirnikiem a stojanem

Strumień w silniku przemieszcza się z wirnika przez szczelinę powietrzną do stojana i wraca przez szczelinę powietrzną z powrotem do wirnika, aby zakończyć pętlę pola. Na tej ścieżce strumień widzi różne opory (opór magnetyczny). Laminaty (stal) mają bardzo małą reluktancję ze względu na wysoki μ _r (względna przepuszczalność stali jest rzędu tysięcy), natomiast szczelina powietrzna ma bardzo dużą reluktancję (μ _r jest w przybliżeniu równa 1).

MMF (siła magnetomotoryczna) wytworzona na stali jest bardzo mniejsza, ponieważ ma pomijalną reluktancję w porównaniu do szczeliny powietrznej. (Analogiem do obwodu elektrycznego byłoby: Źródło napięcia (magnes) napędza prąd (strumień) przez rezystor (reluktancja szczeliny powietrznej).Przewody (stal) podłączone do rezystora mają bardzo niską rezystancję i możemy zignorować spadek napięcia (Spadek MMF) w poprzek). Tak więc struktura stali stojana i wirnika ma znikomy wpływ, a cały MMF jest rozwijany w poprzek efektywnej reluktancji szczeliny powietrznej (uważa się, że każdy materiał nieżelazny na ścieżce strumienia ma względną przepuszczalność równą szczelinie powietrznej). Długość szczeliny powietrznej jest pomijalna w porównaniu ze średnicą wirnika i można bezpiecznie założyć, że strumień z wirnika jest prostopadły do ​​stojana.Istnieją efekty prążków i inne nieliniowości spowodowane szczelinami i zębami, ale są one generalnie ignorowane podczas modelowania maszyny. (NIE MOŻESZ ich ignorować podczas projektowania maszyny). Ale strumień w szczelinie powietrznej nie wynika tylko ze strumienia wirnika (magnesy w przypadku maszyny z magnesami trwałymi). Prąd w cewce stojana również przyczynia się do strumienia. To wzajemne oddziaływanie tych 2 strumieni określi moment obrotowy działający na silnik. Termin, który to opisuje, nazywa się efektywnym połączeniem strumienia szczeliny powietrznej. Chodzi o to, aby nie wchodzić w matematykę i wyprowadzać równania, ale usunąć dwa punkty:Ale strumień w szczelinie powietrznej nie wynika tylko ze strumienia wirnika (magnesy w przypadku maszyny z magnesami trwałymi). Prąd w cewce stojana również przyczynia się do strumienia. To wzajemne oddziaływanie tych 2 strumieni określi moment obrotowy działający na silnik. Termin, który to opisuje, nazywa się efektywnym połączeniem strumienia szczeliny powietrznej. Chodzi o to, aby nie wchodzić w matematykę i wyprowadzać równania, ale usunąć dwa punkty:Ale strumień w szczelinie powietrznej nie wynika tylko ze strumienia wirnika (magnesy w przypadku maszyny z magnesami trwałymi). Prąd w cewce stojana również przyczynia się do strumienia. To wzajemne oddziaływanie tych 2 strumieni określi moment obrotowy działający na silnik. Termin, który to opisuje, nazywa się efektywnym połączeniem strumienia szczeliny powietrznej. Chodzi o to, aby nie wchodzić w matematykę i wyprowadzać równania, ale usunąć dwa punkty:

• Niepokoi nas tylko przepływ w szczelinie powietrznej, ponieważ cały FRP jest w niej rozwijany.
• Skuteczne połączenie strumienia w szczelinie powietrznej jest spowodowane zarówno prądem stojana, jak i strumieniem wirnika (magnesy), a wzajemne oddziaływanie między nimi wytwarza moment obrotowy.

Powyższy rysunek przedstawia wirnik i stojan różnych typów silników. Byłoby interesujące dowiedzieć się, które z nich są istotne, a które nie?

Uwaga: W każdym z tych silników zaznaczone są dwie osie - D i Q. (Oś Q jest osią magnetyczną, a oś D jest elektrycznie prostopadła do niej). W kolejnych artykułach wrócimy do osi D i Q. Nie ma to znaczenia dla powyższego pytania.

Odpowiedź:

A, B, C - nieistotne, D, E, F, G, H - widoczne (magnesy wpływają na reluktancję w różnych pozycjach wirnika, patrz poniższy rysunek, w J, K - zarówno wirnik, jak i stojan są nieistotne.

W tym miejscu zakończymy ten artykuł. Można by omówić znacznie więcej matematyki i modelowania maszyn, ale tutaj byłoby to zbyt skomplikowane. Omówiliśmy większość tematów, które są potrzebne do zrozumienia sterowania silnikiem. Następna seria artykułów będzie bezpośrednio dotyczyła sterowania zorientowanego na pole (FOC), modulacji wektorów przestrzennych (SVM), osłabiania strumienia i wszystkich praktycznych aspektów sprzętu i oprogramowania, w których możesz utknąć po rozpoczęciu projektowania kontrolera.