Czy w silniku prądu stałego jest jeden punkt komutacji, który jest optymalny pod każdym względem?

To ostatnie pytanie skłoniło mnie do zastanowienia się nad terminem komutacji i dlaczego jego zwiększenie może być pożądane. Chciałem jednak głębiej rozważyć podstawowe zjawiska i jestem prawie pewien, że moje zrozumienie jest niepełne, więc pomyślałem, że spróbuję odpowiedzieć na nowe pytanie.

Pola stojana i wirnika łączą się, tworząc obrócone pole ogólne, a niektóre silniki przyspieszają czas komutacji, aby zmniejszyć iskrzenie komutatora. Oto ilustracja z tego artykułu na temat podwodnych układów elektrycznych :

Część, w której to się pojawia, omawia generatory, więc strzałka oznaczająca „obrót” jest odwrócona, jeśli myślimy o tym jako o silniku. Gdyby to był silnik z pobranymi prądami i polem, spodziewalibyśmy się, że obróci się w przeciwnym kierunku, przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Ponieważ na etykiecie punktu „nowa płaszczyzna neutralna” wirnik nie przechodzi przez magnetyczne linie siły, nie ma indukowanego napięcia, więc jeśli komutacja zostanie tu wykonana, nastąpi minimalne wyładowanie łukowe.

Ale przesuwając punkt komutacji, poświęciliśmy jakiś inny parametr? Czy zmniejszyliśmy moment obrotowy? Wydajność? Czy jest to pod każdym względem optymalny punkt komutacji?

Rozumiem, że silnik chce obracać się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, ponieważ reprezentuje on niższą energię potencjalną poprzez odkręcenie pola i wyrównanie pól stojana i wirnika. Czy to jest poprawne?

Obraca się z powodu sił działających wokół jego osi obrotu. Siły te wytwarzają moment obrotowy, który z kolei powoduje przyspieszenie kątowe wirnika.

Ale jeśli przeniesiemy tam punkt komutacji, czy nie obróciliśmy pola stojana, prowadząc do nowej nowej płaszczyzny neutralnej? Jeśli powtórzymy tę korektę, czy zbiegnie się ona w optymalnym punkcie komutacji, czy po prostu przekręcamy się w tym miejscu? Czy ten punkt komutacji jest optymalny pod każdym względem, czy też należy wprowadzić pewne kompromisy?

Z definicji za każdym razem, gdy obracasz jedno z pól, masz nową płaszczyznę neutralną. Cały punkt komutacji w silniku polega na utrzymaniu płaszczyzny neutralnej pod kątem, w którym maksymalizowany jest moment obrotowy.

Zawsze słyszałem, że czas musi być bardziej zaawansowany przy wyższej prędkości. Ale czy jest to ściśle prawda, czy też jest to funkcja prądu uzwojenia / siły pola, która akurat jest skorelowana z prędkością w przypadku stałego obciążenia mechanicznego?

Myślę, że miksujesz tutaj dwa efekty. Rozważmy silnik bezszczotkowy. Biorąc pod uwagę prąd przepływający przez jego uzwojenia, osiądzie w swojej neutralnej płaszczyźnie. W tym momencie moment obrotowy wynosi zero (ignorując tarcie). Teraz zacznij powoli obracać ręcznie i wykreślić moment obrotowy względem położenia. Maksimum tego wykresu stanowi punkt komutacji „optymalnej niskiej prędkości”. Można uzyskać bardzo dokładne przybliżenie tego wykresu za pomocą modeli matematycznych. Nie nazwałbym tego przyspieszaniem czasu. W zależności od liczby faz i biegunów byłoby pod pewnym stałym kątem od płaszczyzny neutralnej. W bezszczotkowym systemie zamkniętym z enkoderem położenia i bez czujników efektu Halla zwykle przechodzisz przez sekwencję, w której przepuszczasz trochę prądu przez uzwojenia, aby odkryć położenie płaszczyzny neutralnej.

W sytuacji dynamicznej chcesz ciągle obracać pole pod kontrolą, aby zachować tę samą fazę w porównaniu ze stałymi magnesami. Z powodu indukcyjności i różnych efektów nieliniowych, takich jak nasycenie magnetycznei temperatury, czas sterowania musi się zmienić w funkcji prędkości, aby spróbować utrzymać tę samą fazę między polami. Zasadniczo istnieje opóźnienie między wydaniem polecenia a rzeczywistą zmianą w polu, więc polecenie jest wydawane wcześniej, „zaawansowane”, aby to zrekompensować. W szczotkowanym silniku możesz mieć tylko jeden stały skok fazy, więc musisz zrobić jakiś kompromis, jeśli planujesz pracować z różnymi prędkościami. Istnieją również kompromisy statyczne w silnikach szczotkowych, np. Wielkość szczotek i charakter włączania / wyłączania sterowania. W niektórych sytuacjach opóźnienie to i tak jest nieznaczne.

Czy bezczujnikowy sterownik BLDC, który wykrywa przecięcia zerowe EMF w celu znalezienia punktu komutacji, jest przykładem takiego silnika?

Sądzę, że przejścia przez zero w kierunku EMF są niewystarczające. Odzwierciedlają jedynie opisane powyżej „statyczne” ustawienie. Musisz więc znać parametry silnika, zanim będziesz mógł zoptymalizować sterowanie (np. Używając czegoś takiego jak sterowanie zorientowane na pole )

Masz rację, że punkt neutralny to miejsce, w którym nominalnie znajduje się punkt ustawienia pędzla. Gdy wirnik się obraca, pola nie poruszają się skutecznie (dużo), ponieważ ruch wirnika spowoduje, że kolejny zestaw uzwojeń twornika zostanie wzbudzony. Zatem obraz pola w „C” będzie po prostu „poruszał się” w miarę przemieszczania się różnych uzwojeń twornika.

Aby uzyskać maksymalny moment obrotowy, chcesz, aby strumienie twornika i strumienie pola były odpowiednio wyrównane i miały „pełną wytrzymałość”. (ignorowanie tego momentu obrotowego jest tak naprawdę interakcją prądu i strumienia ...)

Należy zauważyć, że istnieje stała czasowa dla wzrostu prądu w uzwojeniu twornika z powodu rezystancji uzwojenia i indukcyjności. Powoduje to opóźnienie strumienia / prądu twornika. Jeśli to opóźnienie nie zostanie zrekompensowane, optymalny moment obrotowy nie zostanie osiągnięty. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest zwiększenie kąta komutacji.

„Właściwy” kąt wyprzedzenia zależy od prędkości wirnika, stałej czasowej obwodu twornika i liczby biegunów twornika. Ponieważ stała czasowa twornika jest czasem stałym, dla wyższych prędkości wirnika należy zwiększyć kąt wyprzedzenia.

Płaszczyzna neutralna nie jest zależna od prędkości, tylko prąd. Pole magnetyczne stojana (poziome na zdjęciu powyżej) i pole magnetyczne twornika (pionowe na zdjęciu powyżej) tak naprawdę „nie sumują się”, chyba że pomyślicie o każdym z tych pól jako wektorze. Jeśli tak, to powinieneś widzieć, że płaszczyzna neutralna może się poruszać, gdy dwa pola zmieniają się względem siebie (np. Jeśli pole magnetyczne stojana pozostaje takie samo, a pole magnetyczne twornika rośnie lub maleje, płaszczyzna neutralna przesuną się). Z tego powodu możesz zobaczyć, dlaczego płaszczyzna neutralna zależy od prądu, a nie prędkości. Prąd przepływający przez stojan i / lub zworę (zależny od obciążenia) określa siłę pól magnetycznych, co z kolei określa położenie płaszczyzny neutralnej.

Pędzle można przesuwać, aby wyrównać je z płaszczyzną neutralną. Ale biorąc pod uwagę fakt, że położenie neutralnej płaszczyzny zależy od obciążenia, może nie być idealnej („odpowiednio wyrównanej”) pozycji do przesuwania pędzli, ponieważ większość aplikacji nie ma pojedynczego punktu obciążenia. Należy również pamiętać o tym, że aplikacja wymaga obrotu w obu kierunkach. Z mojego doświadczenia wynika, że ​​większość projektantów silników polega na połączeniu wcześniejszych doświadczeń i eksperymentów w celu ustalenia właściwego ustawienia pędzla dla danego zastosowania.