יסודות המנועים - תיאוריה וחוקים לתכנון מנוע

תהיתם פעם איך מסתובב מנוע? מהם היסודות הכרוכים בכך? איך זה נשלט? המנועים המוברשים של DC נמצאים בשוק מאז תקופה ארוכה והם מסתובבים בקלות על אספקת DC / סוללה בלבד, ואילו מנועי האינדוקציה והמנועים הסינכרוניים של מגנטים קבועים כוללים אלקטרוניקה מורכבת ותורת בקרה כדי לסובב אותם ביעילות. לפני שנגיע בכלל למה זה מנוע DC או מהם סוגים אחרים של מנועים, חשוב להבין את פעולתו של המנוע הקווי - המנוע הבסיסי ביותר. זה יעזור לנו להבין את היסודות מאחורי סיבוב מוטורי.

אני מהנדס אלקטרוניקה ובקרת מנועים והבלוג הבא יהיה על בקרת מנועים. אבל יש נושאים מסוימים שיש צורך להבין לפני שנכנס לעומק השליטה המוטורית ואנחנו נעסוק בהם במאמר זה.

הפעלת מנוע לינארי
סוגי מנועים והיסטוריה שלה
רווחיות
אינטראקציה שטף בין הסטטור לרוטור

הפעלת מנוע לינארי

בהיותי מהנדס אלקטרוניקה כוח, לא ידעתי הרבה על פעולתם של מנועים. קראתי הרבה הערות, ספרים וסרטונים שהופנו. היה לי קשה להבין לעומק את חלק מהמנועים ואת שליטתו עד שהתייחסתי שוב לחוקי המרת האנרגיה האלקטרו-מכנית הבסיסית - חוקי פאראדיי וכוח לורנץ. נבלה קצת זמן בהבנת החוקים הללו. חלק מכם אולי כבר יודעים את זה אבל טוב לעבור עליהם שוב. אולי תלמד משהו חדש.

החוק של פאראדיי

חוק ההשראה של פאראדיי קובע את הקשר בין שטף סליל החוט למתח המושרה בו.

e (t) = -dφ / dt… (1)

איפה Φ מייצג את השטף בסליל. זו אחת המשוואות הבסיסיות המשמשות להפקת המודל החשמלי של מנוע. מצב זה אינו קורה במנועים מעשיים שכן הסליל יורכב ממספר סיבובים, המפוזרים בחלל ונצטרך להסביר את השטף דרך כל אחד מהסיבובים הללו. המונח הצמדת שטף (λ) מייצג את השטף הכולל המקושר לכל הסלילים והוא ניתן על ידי המשוואה הבאה

Φ _n מייצג את השטף המקושר לסליל ^ה- n ו- N הוא מספר הסיבובים. ניתן לתאר אותו כסליל נוצר מ- N סיבובים בודדים בתצורת סדרה. לכן,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

סימן המינוס מיוחס בדרך כלל לחוק לנץ.

החוק של לנץ קובע את הדברים הבאים: EMF (כוח אלקטרומוטורי) מושרה בסליל חוט אם השטף המקושר אליו משתנה. הקוטביות של ה- EMF היא כזו שאם היה מוסט נגד זה, הזרם הזורם בו יתנגד לשינוי השטף שגרם ל- EMF הזה.

הבה נבין את חוק לנץ דרך מוליך (מוט) המונח בשדה מגנטי (B̅) המכוון כלפי מטה למישור הנייר כפי שמוצג באיור לעיל. כוח F _המופעל מזיז את המוט אופקית אך המוט תמיד במגע עם המוליכים האופקיים. הנגד החיצוני R משמש כ shunt כדי לאפשר לזרם לזרום. לכן, ההסדר פועל כמו מעגל חשמלי פשוט עם מקור מתח (EMF המושרה) ונגד. השטף המקושר לולאה זו משתנה ככל שהשטח המקושר עם B the גדל. זה גורם ל- EMF במעגל על פי חוק פאראדיי (העוצמה נקבעת על פי מהירות השטף משתנה) וחוק לנץ (הקוטביות נקבעת כך שהזרם המושרה יתנגד לשינוי השטף).

כלל אגודל יד ימין יעזור לנו לדעת את כיוון הזרם. אם נסלסל את אצבעותינו לכיוון הזרם המושר, אז האגודל ייתן את כיוון השדה שנוצר על ידי אותו זרם המושרה. במקרה זה, כדי להתנגד לשטף הגובר עקב שדה B̅, עלינו לפתח שדה שדה ממישור הנייר, ומכאן שהזרם יזרום בכיוון נגד כיוון השעון. כתוצאה מכך, מסוף A חיובי יותר מהטרמינל B. מנקודת מבט העומס פותח EMF חיובי עם זרימה הולכת וגוברת ומכאן שנכתוב את המשוואה כ

e (t) = d λ / dt

שימו לב שהתעלמנו מהסימן השלילי בזמן שאנחנו כותבים משוואה זו מנקודת מבט העומס. (מקרה דומה יעלה כאשר נתחיל להתמודד עם מנועים). המעגל החשמלי הסופי יקבל את הטופס כמוצג להלן. למרות שהמקרה הנדון הוא של גנרטור, השתמשנו במוסכמת הסימנים מנקודת המבט המוטורית והקוטביות המוצגת באיור להלן נכונה. (זה יהיה ברור מאליו כאשר נעבור לפעולה המוטורית).

אנו יכולים לחשב את EMF המושרה כדלקמן. סליל של סיבוב אחד (מוליך במקרה זה) יפיק הצמדת שטף של:

כאשר A מייצג את שטח הלולאה, l הוא אורך המוליך, v הוא המהירות שבה המוט נע בגלל הכוח המופעל.

כשמסתכלים על המשוואה לעיל, נוכל לומר שגודל ה- EMF הוא פרופורציונאלי למהירות המוליך וללא תלות בנגד החיצוני. אך הנגד החיצוני יקבע כמה כוח נדרש לשמירה על המהירות (ומכאן הזרם). דיון זה נמשך קדימה בצורת חוק לורנץ.

חוק לורנץ

נבדוק את המשוואה תחילה ואז ננסה להבין אותה.

F = q. (E + Vc x B)

הוא קובע שכאשר חלקיק מטען q נע במהירות v _c בשדה אלקטרומגנטי, הוא חווה כוח. במנוע, השדה החשמלי E אינו רלוונטי. לכן, F = q. וי.סי. ב

אם השדה קבוע לאורך זמן לאורך המוליך ומאונך אליו, אנו יכולים לכתוב את המשוואות לעיל כ:

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

זה מראה שהכוח הפועל על המטען הוא ביחס ישר לזרם.

בחזרה לדמות הראשונה, ראינו שכוח חיצוני המופעל גורם ל- EMF המניע זרם נגד. כל האנרגיה מתפזרת כחום בנגד. יש לשמור על חוק שימור האנרגיה ומכאן אנו מקבלים:

F. v = ה. אני

משוואה זו מייצגת כיצד אנרגיה מכנית מומרת לאנרגיה חשמלית. סידור זה נקרא מחולל לינארי.

סוף סוף נוכל לבדוק כיצד פועל מנוע כלומר כיצד מומרת האנרגיה החשמלית לאנרגיה מכנית. באיור שלהלן, החלפנו את הנגד החיצוני נגד גושים במעגל וכעת יש מקור מתח חיצוני המספק את הזרם. במקרה זה נצפה בכוח שפותח (F _DEVELOPED) הניתן על ידי חוק לורנץ. ניתן לקבוע את כיוון הכוח על ידי כלל יד ימין המוצג להלן

כך עובד מנוע לינארי. כל המנועים נגזרים מעקרונות בסיסיים אלה. ישנם מאמרים וסרטונים מפורטים רבים שתמצאו המתארים את פעולתם של מנוע DC מוברש, מנועים ללא מברשות, מנועי PMSM, מנועי אינדוקציה וכו '. אין זה הגיוני לעשות מאמר נוסף המתאר את הפעולה. הנה הקישור לכמה מהסרטונים החינוכיים הטובים על סוגים שונים של מנועים ותפעולם.

היסטוריה של מנועים

מבחינה היסטורית, היו שלושה סוגים של מנועים שהיו בשימוש נרחב - מנועי מברשת DC, מנועי סינכרון ואינדוקציה. יישומים רבים דורשים מהירות משתנה ומנועי DC היו בשימוש נרחב. אך הכנסת תיריסטורים בסביבות 1958 וטכנולוגיית הטרנזיסטור שינתה את הסצנה.
פותחו ממירים שעזרו ביישום יעיל לבקרת מהירות. ניתן היה להפעיל ולכבות את התקני הטרנזיסטור כרצונו וזה אפשר הפעלת PWM. תוכניות הבקרה הבסיסיות שפותחו קודם לכן היו כונני V / f למכונות אינדוקציה.
במקביל, החל מגנטים קבועים להחליף סלילי שדה לשיפור היעילות. והשימוש בממיר יחד עם מכונות מגנט קבועות סינוסואידי אפשרו חיסול המברשות כדי לשפר את חיי המנוע ואמינותו.
השלב העיקרי הבא היה בשליטה במכונות ללא מברשות אלה. תיאוריית שתי התגובות (או תיאוריית ה- dq) הוצגה על ידי אנדרה בלונדל בצרפת לפני שנת 1900. היא שולבה עם וקטורי חלל מורכבים שאפשרו לדגם מכונה באופן מדויק במצב חולף ויציב. לראשונה, הכמויות החשמליות והמכניות יכולות להיות קשורות זו לזו.
מנועי אינדוקציה לא ראו שינויים רבים עד 1960. שני גרמנים - בלשקה והאס ביצעו כמה חידושים מרכזיים שהובילו לשליטה וקטורית מפורסמת כיום במנועי אינדוקציה. בקרת וקטור עוסקת במודל חולף של מנוע האינדוקציה ולא במצב יציב. מלבד השליטה ביחס משרעת המתח לתדר, הוא גם שולט בשלב. זה עזר לשימוש במנוע האינדוקציה ביישומי בקרת מהירות ו סרוו עם דינמיקה גבוהה.
האלגוריתם ללא חיישנים היה הצעד הגדול הבא בשליטה במנועים אלה. שליטה וקטורית (או בקרת אוריינטציה בשדה) דורשת לדעת את מיקום הרוטור. נעשה שימוש קודם בחיישני מיקומים יקרים. היכולת לאמוד את מיקום הרוטור על פי מודל המנוע אפשרה למנועים לפעול ללא שום חיישנים.
מאז היו מעט מאוד שינויים. עיצוב המנוע ושליטתו נשארים פחות או יותר זהים.

מנועים התפתחו מאז המאה הקודמת. ואלקטרוניקה עזרה להם להשתמש ביישומים שונים. רוב החשמל המשמש בעולם הזה נצרך על ידי מנועים!

סוגים שונים של מנועים

ניתן לסווג את המנועים בהרבה דרכים שונות. נבחן כמה מהסיווגים.

זהו הסיווג הכללי ביותר. היה הרבה בלבול ביחס למנועי AC ו- DC וחשוב להבחין ביניהם. בואו נצמד למוסכמה הבאה: המנועים הדורשים אספקת AC 'בטרמינלים' שלה נקראים מנוע AC ואשר יכולים לפעול על אספקת DC 'בטרמינלים' שלה נקראים מנוע DC. 'בטרמינלים' שלה חשוב מכיוון שהוא מבטל איזה סוג אלקטרוניקה משמש להפעלת המנוע. לדוגמא: מנוע DC ללא מברשות למעשה אינו יכול לפעול ישירות על אספקת DC והוא דורש מעגל אלקטרוני.

ניתן לסווג את המנוע על בסיס אספקת החשמל ועל סמך נסיעות - מברשת או ללא מברשות, כמוצג להלן

למרות שאני לא נכנס לעומק התכנון המוטורי של אף אחד מהמנועים הנ"ל - ישנם שני נושאים חשובים שהייתי רוצה לעסוק בהם - ריביות ואינטראקציה של שטף הרוטור עם שטף הסטטור.

רווחיות

היבטים של פרמטרים של מכונה כמו ייצור מומנט והשראות מושפעים מהמבנה המגנטי של המכונה (במכונות מגנט קבועות). והבסיסי ביותר בהיבט זה הוא הבולטות. רווחיות היא מדד השינוי ברתיעה עם מיקום הרוטור. כל עוד רתיעה זו קבועה בכל מיקום הרוטור, המכונה נקראת לא בולטת. אם הרתיעה משתנה עם מיקום הרוטור, המכונה נקראת בולטת.

מדוע חשוב להבין בולטות? מכיוון שלמנוע בולט יכולות להיות כעת שתי שיטות לייצר מומנט. אנו יכולים לנצל את וריאציית הרתיעה במנוע כדי לייצר מומנט רתיעה יחד עם המומנט המגנטי (המיוצר על ידי המגנטים). כפי שמוצג באיור להלן אנו יכולים להשיג רמות מומנט גבוהות יותר עבור אותו זרם בתוספת מומנט רתיעה. זה יהיה המקרה עם מנועי IPM (מגנט קבוע פנימי). (ישנם מנועים שעובדים אך ורק על אפקט רתיעה, אך לא נדון בהם כאן.) הנושא הבא יעזור לך להבין טוב יותר את הצמדת השטף והבליטות.

(הערה: זווית ההתקדמות באיור להלן מתייחסת להפרש השלב בין זרם הסטטור לבין שטף פער האוויר.)

אינטראקציה שטף בין הרוטור לסטאטור

שטף במנוע עובר מהרוטור על פני פער האוויר אל הסטטור וחוזר שוב דרך פער האוויר בחזרה לרוטור כדי להשלים את לולאת השדה. בנתיב זה, השטף רואה רתידות שונות (התנגדות מגנטית). למינציות (פלדה) יש רתיעה נמוכה מאוד בגלל μ _r גבוה (חדירות יחסית של פלדה היא בטווח של אלפים) ואילו לפער האוויר יש רתיעה גבוהה מאוד (μ _r שווה בערך ל 1).

ה- MMF (כוח המגנטום) שפותח על פני הפלדה הוא פחות מאוד מכיוון שיש בו רתיעה זניחה בהשוואה לפער האוויר. (אנלוגי למעגל החשמלי יהיה: מקור מתח (מגנט) מניע זרם (שטף) דרך הנגד (רתיעה מפער האוויר). המוליכים (פלדה) המחוברים לנגד הם בעלי התנגדות נמוכה מאוד ואנחנו יכולים להתעלם מירידת המתח (ירידה של MMF) על פני זה). לפיכך, למבנה הסטאטור ולפלדת הרוטור השפעה זניחה וכל MMF מפותח על פני רתיעה יעילה של פער האוויר (כל חומר שאינו ברזלי בנתיב השטף נחשב לבעל חדירות יחסית השווה לזו של פער האוויר).. אורך מרווח האוויר זניח בהשוואה לקוטר הרוטור וניתן להניח בבטחה כי השטף מהרוטור ניצב לסטטור.יש השפעות שוליים ואי-לינאריות אחרות בגלל חריצים ושיניים, אך בדרך כלל מתעלמים מהם בדוגמנות המכונה. (לא ניתן להתעלם מהם בעת תכנון המכונה). אבל השטף בפער האוויר לא ניתן רק על ידי שטף הרוטור (מגנטים במקרה של מכונת מגנטים קבועה). הזרם בסליל הסטטור תורם גם הוא לשטף. האינטראקציה של שני השטפים הללו היא שתקבע את המומנט הפועל על המנוע. והמונח המתאר אותו נקרא הצמדה יעילה של שטף פער האוויר. הרעיון הוא לא להיכנס למתמטיקה ולהפיק את המשוואות אלא לקחת שתי נקודות:אבל השטף בפער האוויר לא ניתן רק על ידי שטף הרוטור (מגנטים במקרה של מכונת מגנטים קבועה). הזרם בסליל הסטטור תורם גם הוא לשטף. האינטראקציה של שני השטפים הללו היא שתקבע את המומנט הפועל על המנוע. והמונח המתאר אותו נקרא הצמדה יעילה של שטף פער האוויר. הרעיון הוא לא להיכנס למתמטיקה ולהפיק את המשוואות אלא לקחת שתי נקודות:אבל השטף בפער האוויר לא ניתן רק על ידי שטף הרוטור (מגנטים במקרה של מכונת מגנטים קבועה). הזרם בסליל הסטטור תורם גם הוא לשטף. האינטראקציה של שני השטפים הללו היא שתקבע את המומנט הפועל על המנוע. והמונח המתאר אותו נקרא הצמדה יעילה של שטף פער האוויר. הרעיון הוא לא להיכנס למתמטיקה ולהפיק את המשוואות אלא לקחת שתי נקודות:

אנו מודאגים רק מהשטף בפער האוויר כאשר כל ה- MMF מפותח על פניו.
זרימת השטף היעילה בפער האוויר נובעת הן מזרם הסטטור והן משטף הרוטור (מגנטים) והאינטראקציה ביניהם מייצרת מומנט.

מעל הדמות מראה את הרוטור והסטטור של סוגים שונים של מנועים. מעניין יהיה לגלות מי מהם בולט ומי לא?

הערה: בכל אחד מהמנועים הללו מסומנים שני צירים - D ו- Q. (ציר Q הוא הציר המגנטי וציר D ניצב אליו באופן חשמלי). נחזור לציר D ו- Q במאמרים עתידיים. אין זה חשוב לשאלה הנ"ל.

תשובה:

A, B, C - לא בולט, D, E, F, G, H - בולט (המגנטים משפיעים על הרתיעה במצב רוטור שונה, ראה איור להלן, ב- J, K - גם הרוטור וגם הסטאטור אינם בולטים.

נסיים מאמר זה בשלב זה. אפשר היה לדון הרבה יותר במתמטיקה ובמודלים של מכונות, אבל זה יהפוך להיות מורכב מדי כאן. סקרנו את רוב הנושאים הדרושים להבנת השליטה במנוע. סדרת המאמרים הבאה תעבור ישירות לבקרת אוריינטציה בשדה (FOC), אפנון וקטור חלל (SVM), החלשת שטף וכל היבטי החומרה והתוכנה המעשיים שבהם אתה עלול להיתקע ברגע שתתחיל לעצב את הבקר.