Специальные машины постоянного тока 47

15. Вентильный двигатель
Вентильные двигатели являются разновидностью двига­телей постоянного тока, у которых коллекторно-щеточный узел заменен полупроводниковым коммутатором.
Наличие коллекторно-щеточного узла в двигателях по­стоянного тока осложняет их эксплуатацию (так как тре­буются периодическая замена щеток и чистка коллектора), ограничивает их предельную мощность, не позволяет при­менять их в агрессивных и взрывоопасных средах. Вентиль­ные двигатели лишены этих недостатков. Применение их началось относительно недавно и связано с развитием полу­проводниковой техники. В настоящее время серийно выпус­каются вентильные двигатели относительно небольшой мощности.
Полупроводниковый коммутатор в вентильных двигате­лях выполняет те же функции, что и коллекторно-щеточный узел в обычных двигателях постоянного тока, т. е. изменя­ет направление тока в проводниках секций обмотки якоря при переходе из зоны действия полюса одной полярности в зону действия полюса другой полярности. Это необходимо делать, для того чтобы вращающий момент, создаваемый током, протекающим в секции, всегда сохранял одно и то же направление.
Чтобы исключить скользящий контакт в цепи якоря, для вентильных двигателей обычно применяют обращенную конструкцию машины постоянного тока. В этой конструк­ции обмотку якоря размещают на неподвижном статоре, а полюсы — на роторе.
Магнитное поле возбуждения может создаваться элект­ромагнитным путем, для чего на полюсах размещают об­мотку возбуждения, получающую питание от сети постоян­ного тока через расположенные на валу ротора контактные кольца.
Как известно, мощность возбуждения в несколько десят­ков раз меньше мощности якоря, поэтому работа щеточного контакта в этой цепи протекает более надежно, чем в якор­ной. Наряду с электромагнитным в вентильных двигателях часто применяется магнитоэлектрическое возбуждение. Для этого в полюсах устанавливают постоянные магниты. В этом случае скользящий контакт будет отсутствовать как в цепи якоря, так и в цепи возбуждения. Такие двигатели называют бесконтактными двигателями постоянного тока. Для пояснения принципа действия вентильного двигате­ля на рис. 26 изображена его принципиальная схема. Для сопоставления на рис. 27 дана схема коллекторного двигателя постоянного тока в обращенном варианте. У последнего коллектор неподвижен, а щетки механически свя­заны с валом машины и вращаются вместе с ротором. У коллекторного двигателя секции подсоединяются к коллекторным пластинам, а в вентильном двигателе — через реверсивный управляемый полупроводниковый ключ — непосредственно к сети постоянного тока.
Для момента времени, изображенного на рис. 26, показано распределение тока в секциях обмотки якоря. При повороте полюсов и щеток секции 1, 2, 3 и т. д. поочередно переходят в зону действия нижнего полюса, и соответствен­но в них будет изменяться направление тока. У вентильного двигателя для того же момента времени (рис. 26) ток в обмотку якоря поступает через ключи 1 и n. Остальные вентили в это время закрыты. Распределение тока в секци­ях обмотки якоря будет таким же, как и на рис. 27.
При повороте полюсов, когда секция 1 перейдет в зону действия нижнего полюса, ключи 1 и п закроются а откроются ключи 2 и п+1 и т. д. В результате для любых моментов времени распределение тока в обмотке якоря будет таким же, как и у коллекторного двигателя, а вращающий момент, создаваемый проводниками обмотки якоря при протекании по ним тока, будет иметь неизменное направ­ление. Для поочередного включения ключей в зависимости от углового положения полюсов в двигателе предусматри­ваются специальные устройства— датчики углового поло­жения ротора.

Рис. 26.Схема вентильного двигателя с замкнутой обмоткой якоря

Датчик положения состоит из возбудителя, соединенно­го непосредственно с валом двигателя, и чувствительных элементов, в которых при определенных положениях возбу­дителя должен появиться сигнал на переключение ключей полупроводникового коммутатора. Существует большое разнообразие датчиков, в которых используются чувстви­тельные элементы, реагирующие на изменение различных видов энергии: магнитной, электрической, световой и др.

В большинстве случаев обмотку якоря вентильного дви­гателя нецелесообразно выполнять с таким же большим числом секций, как и у коллекторных двигателей. С умень­шением числа секций сокращаются число полупроводнико­вых приборов и размеры преобразователя. Обычно вентиль­ные двигатели выполняют с числом секций 2—4.
Наиболь­шее распространение получили трехсекционные двигатели. Обмотка якоря может быть замкнутой (по типу обмотки якоря машины постоянного тока) и разомкнутой. На рис. 28 показана упрощенная схема двигателя с трехсекционной разомкнутой обмоткой якоря. В полупроводниковых коммутаторах в качестве ключей, включающих и отключаю­щих секции обмотки якоря, используются тиристоры или транзисторы. Тиристоры применяются в двигателях средней и большой мощности, а транзисторы — в двигателях малой мощности.

Рис. 27. Обращенный двигатель постоянного тока

Секции обмотки якоря могут подключаться к сети через двойные или одинарные ключи. В первом случае (рис.29)ток в секции может протекать в двух направлениях, при этом улучшается использование обмотки якоря, повышает­ся мощность двигателя, но усложняются схема и размеры полупроводникового коммутатора.

Во втором случае (рис. 28) использование обмотки якоря ухудшается, но уменьшаются размеры полупроводни­кового коммутатора. Включение обмоток якоря через оди­нарные ключи применяется в двигателях малой мощности. Как следует из сказанного, вентильный двигатель состо­ит из трех функционально связанных между собой частей; собственно электродвигателя Д, датчиков положения ДП и полупроводникового коммутатора ПК (рис. 30).
Механические характеристики вентильных двигателей при большом числе секций подобны аналогичным характе­ристикам коллекторных двигателей. При ограниченном чис­ле секций, когда каждая из них будет иметь большое число витков, механические характеристики из-за влияния индуктивности L(L~w²) отклоняются от линейного характера и тем сильнее, чем больше L (рис. 31).

Рис.28. Вентильный двигатель с трехсекционной

разомкнутой обмоткой якоря

Рис. 29. Вентильный двигатель с трехсекционной обмоткой якоря

Регулировать частоту вращения вентильных двигателей можно теми же способами, что и в коллекторных двигате­лях. Широкое применение находят широтно-импульсный способ регулирования напряжения, для чего используется имеющийся полупроводниковый коммутатор.

Рис.30. Функциональная схема вентильного двигателя

Рис. 31. Механические характеристики вентильного двигателя:

1 — без учета индуктивности секции; 2 — с учетом индуктивности