Asas motor - teori dan undang-undang untuk merancang motor

Pernah terfikir bagaimana motor berputar? Apakah asas yang terlibat? Bagaimana ia dikawal? Motor DC yang disikat sudah lama berada di pasaran dan mereka berputar dengan mudah hanya pada bekalan DC / bateri sedangkan motor induksi dan motor sinkron magnet kekal melibatkan elektronik kompleks dan teori kawalan untuk memutarnya dengan cekap. Sebelum kita sampai pada apa itu motor DC atau jenis motor lain, penting untuk memahami operasi motor linear - motor paling asas. Ini akan membantu kita memahami asas-asas di sebalik putaran motor.

Saya adalah Jurutera Kawalan Elektronik dan Motor dan blog seterusnya akan menggunakan kawalan motor. Tetapi ada topik tertentu yang perlu difahami sebelum memasuki kedalaman kawalan motor dan kami akan membahasnya dalam artikel ini.

1. Pengoperasian Motor Linear
2. Jenis Motor dan Sejarahnya
3. Ketokohan
4. Interaksi Flux antara Stator dan Rotor

Pengoperasian Motor Linear

Sebagai jurutera elektronik kuasa, saya tidak tahu banyak mengenai operasi motor. Saya membaca banyak nota, buku dan video yang dirujuk. Saya sukar memahami beberapa motor dan kawalannya secara mendalam sehingga saya merujuk lagi kepada undang-undang penukaran tenaga elektro-mekanikal asas - Undang-undang Angkatan Faraday dan Lorentz. Kami akan meluangkan masa untuk memahami undang-undang ini. Sebilangan daripada anda mungkin sudah mengetahuinya tetapi ada baiknya anda mengulanginya sekali lagi. Anda mungkin belajar sesuatu yang baru.

Undang-undang Faraday

Hukum Induksi Faraday menyatakan hubungan antara fluks gegelung dawai dan voltan yang diinduksi di dalamnya.

e (t) = -dφ / dt… (1)

Di mana Φ mewakili fluks dalam gegelung. Ini adalah salah satu persamaan asas yang digunakan untuk mendapatkan model elektrik motor. Keadaan ini tidak berlaku pada motor praktikal kerana gegelung terdiri dari beberapa putaran, diedarkan di ruang angkasa dan kita harus mengambil kira fluks melalui setiap putaran ini. Istilah hubungan fluks (λ) mewakili jumlah fluks yang dihubungkan dengan semua gegelung dan ia diberikan oleh persamaan berikut

Φ _n mewakili fluks dikaitkan dengan n ^th gegelung dan N ialah bilangan lilitan. Ia dapat digambarkan sebagai gegelung terbentuk dari N putaran tunggal dalam konfigurasi siri. Oleh itu,

λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt

Tanda minus biasanya dikaitkan dengan hukum Lenz.

Undang-undang Lenz menyatakan yang berikut: EMF (daya elektromotif) diinduksi dalam gegelung wayar jika fluks yang berkaitan dengannya berubah. Polaritas EMF sedemikian rupa sehingga jika perintang dihilangkan di seberang, arus yang mengalir di dalamnya akan menentang perubahan fluks yang mendorong EMF itu.

Marilah kita memahami Hukum Lenz melalui konduktor (batang) yang diletakkan di medan magnet (B̅) yang menunjuk ke bawah ke satah kertas seperti gambar di atas. A force F yang _dikenakan menggerakkan rod secara mendatar tetapi rod sentiasa bersentuhan dengan konduktor mendatar. Perintang luaran R digunakan sebagai penahan untuk membiarkan arus mengalir. Jadi, susunannya berfungsi seperti litar elektrik sederhana dengan sumber voltan (EMF yang diinduksi) dan perintang. Fluks yang dihubungkan dengan gelung ini berubah apabila kawasan yang dihubungkan dengan B̅ semakin meningkat. Ini mendorong EMF dalam litar menurut Hukum Faraday (besarnya ditentukan oleh seberapa cepat fluks berubah) dan Hukum Lenz (kekutuban diputuskan sedemikian rupa sehingga arus yang disebabkan akan menentang perubahan fluks).

Peraturan Tangan Jempol Kanan akan membantu kita dalam mengetahui arah arus. Sekiranya kita melengkung jari kita ke arah arus aruhan, maka ibu jari akan memberikan arah medan yang dihasilkan oleh arus yang disebabkan. Dalam hal ini, untuk menentang peningkatan fluks karena medan B̅, kita perlu mengembangkan bidang yang keluar dari bidang kertas, dan oleh itu, arus akan mengalir ke arah lawan jam. Hasilnya, terminal A lebih positif daripada terminal B. Dari sudut muatan, EMF positif dikembangkan dengan peningkatan fluks dan oleh itu kami akan menulis persamaan sebagai

e (t) = d λ / dt

Perhatikan bahawa kita telah mengabaikan tanda negatif semasa kita menulis persamaan ini dari sudut pandang beban. (Kes serupa akan muncul ketika kita mula berurusan dengan motor). Litar elektrik akhir akan berbentuk seperti rajah di bawah. Walaupun kotak yang dibincangkan adalah generator, kami telah menggunakan konvensyen tanda dari sudut pandangan motor dan kekutuban yang ditunjukkan dalam gambar di bawah adalah betul. (Ini akan menjadi jelas ketika kita beralih ke operasi motor).

Kita boleh mengira EMF yang disebabkan sebagai berikut. Gegelung 1 putaran (konduktor dalam kes ini) akan menghasilkan hubungan fluks:

Di mana A mewakili luas gelung, l adalah panjang konduktor, v adalah halaju dengan mana rod bergerak kerana daya yang dikenakan.

Melihat Persamaan di atas, kita dapat mengatakan bahawa magnitud EMF berkadar dengan kelajuan konduktor dan bebas dari perintang luaran. Tetapi perintang luaran akan menentukan berapa banyak daya yang diperlukan untuk mengekalkan halaju (dan oleh itu arus). Perbincangan ini diteruskan ke hadapan dalam bentuk Lorentz Law.

Undang-undang Lorentz

Kami akan memeriksa persamaannya terlebih dahulu dan kemudian cuba memahaminya.

F = q. (E + Vc x B)

Ia menyatakan bahawa apabila zarah muatan q bergerak dengan halaju v _c dalam medan elektromagnetik, ia mengalami daya. Dalam motor, medan elektrik E tidak relevan. Oleh itu, F = q. Vc. B

Sekiranya medan tetap dengan masa sepanjang konduktor dan tegak lurus dengannya, kita boleh menulis persamaan di atas sebagai:

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

Ini menunjukkan bahawa daya yang bertindak atas pertuduhan berkadar terus dengan arus.

Kembali ke angka pertama, kita telah melihat bahawa daya luaran yang berlaku mendorong EMF yang menyebabkan arus dalam perintang. Semua tenaga akan hilang sebagai haba dalam perintang Hukum penjimatan tenaga harus dipatuhi dan oleh itu kita mendapat:

F. v = e. i

Persamaan ini menunjukkan bagaimana tenaga mekanikal ditukarkan menjadi tenaga elektrik. Susunan ini dipanggil penjana linier.

Kita akhirnya dapat memeriksa bagaimana motor berjalan iaitu bagaimana tenaga elektrik ditukar menjadi tenaga mekanikal. Dalam rajah di bawah, kami telah menggantikan perintang luaran dengan perintang lumped litar dan sekarang ada sumber voltan luaran yang membekalkan arus. Dalam kes ini, kita akan memerhatikan kekuatan yang dikembangkan (F _BERKEMBANG) yang diberikan oleh Undang-undang Lorentz. Arah daya dapat ditentukan oleh Peraturan Tangan Kanan yang ditunjukkan di bawah

Inilah cara motor linier berfungsi. Semua motor berasal dari prinsip asas ini. Terdapat banyak artikel dan video terperinci yang akan anda dapati yang menerangkan mengenai operasi motor DC yang disikat, motor tanpa berus, motor PMSM, motor Induksi, dan lain-lain. Oleh itu, tidak masuk akal untuk membuat satu lagi artikel yang menerangkan mengenai operasi tersebut. Berikut adalah pautan ke beberapa video pendidikan yang baik mengenai pelbagai jenis motor dan pengoperasiannya.

Sejarah Permotoran

• Dari segi sejarah, terdapat tiga jenis motor yang telah banyak digunakan - motor commutator DC, motor segerak dan induksi. Banyak aplikasi menuntut kecepatan yang berbeza-beza dan motor DC banyak digunakan. Tetapi pengenalan thyristor sekitar tahun 1958 dan teknologi transistor mengubah keadaan.
• Penyongsang dikembangkan yang membantu dalam aplikasi kawalan kelajuan yang cekap. Peranti transistor boleh dihidupkan dan dimatikan sesuka hati dan membolehkan operasi PWM. Skema kawalan asas yang dikembangkan sebelumnya adalah pemacu V / f untuk mesin induksi.
• Secara selari, magnet kekal mula menggantikan gegelung medan untuk meningkatkan kecekapan. Dan penggunaan inverter bersama dengan mesin magnet kekal sinusoidal membolehkan penghapusan berus untuk meningkatkan jangka hayat dan kebolehpercayaan motor.
• Langkah utama seterusnya adalah dengan mengendalikan mesin tanpa berus ini. Teori reaksi dua (atau teori dq) diperkenalkan oleh Andre Blondel di Perancis sebelum tahun 1900. Ia digabungkan dengan vektor ruang yang kompleks yang memungkinkan untuk memodelkan mesin dengan tepat dalam keadaan sementara dan stabil. Buat pertama kalinya, kuantiti elektrik dan mekanikal dapat saling berkaitan.
• Motor induksi tidak melihat banyak perubahan sehingga tahun 1960. Dua orang Jerman - Blaschke dan Hasse membuat beberapa inovasi utama yang membawa kepada kawalan vektor motor induksi yang kini terkenal. Vektor kawalan berkaitan dengan model sementara motor aruhan dan bukannya keadaan stabil. Selain mengawal nisbah amplitud voltan ke frekuensi, ia juga mengawal fasa. Ini membantu motor induksi digunakan dalam kawalan kelajuan dan aplikasi servo dengan dinamik tinggi.
• Algoritma tanpa sensor adalah langkah besar seterusnya untuk mengawal motor ini. Kawalan vektor (atau Field Oriented Control) memerlukan untuk mengetahui kedudukan pemutar. Sensor kedudukan mahal digunakan lebih awal. Keupayaan untuk menganggarkan kedudukan rotor berdasarkan model motor membolehkan motor berjalan tanpa sensor.
• Terdapat sedikit perubahan sejak itu. Reka bentuk motor dan kawalannya lebih kurang sama.

Motor telah berkembang sejak abad yang lalu. Dan elektronik telah membantu mereka digunakan dalam pelbagai aplikasi. Sebilangan besar elektrik yang digunakan di dunia ini digunakan oleh motor!

Jenis Motor yang berbeza

Motor boleh dikelaskan dalam pelbagai cara. Kami akan melihat beberapa klasifikasi.

Ini adalah klasifikasi yang paling umum. Terdapat banyak kekeliruan mengenai motor AC dan DC dan penting untuk membezakannya. Mari kita berpegang pada konvensi berikut: motor yang memerlukan bekalan AC 'di terminalnya' disebut motor AC dan yang dapat berjalan pada bekalan DC 'di terminalnya' disebut motor DC. 'Pada terminalnya' penting kerana ia menghilangkan jenis elektronik yang digunakan untuk menjalankan motor. Contohnya: Motor DC tanpa sikat sebenarnya tidak dapat berjalan terus pada bekalan DC dan memerlukan litar elektronik.

Motor boleh dikelaskan berdasarkan bekalan kuasa dan berdasarkan pergantian - berus atau tanpa berus, seperti yang ditunjukkan di bawah

Walaupun saya tidak mendalami reka bentuk motor mana-mana motor di atas - Terdapat dua topik penting yang ingin saya bahas - Kesungguhan dan Interaksi Rotor Flux dengan Stator Flux.

Ketokohan

Aspek parameter mesin seperti penghasilan tork dan induktansi dipengaruhi oleh struktur magnet mesin (dalam mesin magnet kekal). Dan yang paling asas dari aspek itu adalah keunggulan. Saliency adalah ukuran perubahan keengganan dengan kedudukan rotor. Selagi keengganan ini berterusan dengan setiap kedudukan pemutar, mesin tersebut disebut sebagai tidak menonjol. Sekiranya keengganan berubah dengan kedudukan pemutar, mesin itu disebut menonjol.

Mengapa ketokohan penting untuk difahami? Kerana motor yang menonjol kini boleh mempunyai dua kaedah untuk menghasilkan tork. Kita dapat memanfaatkan variasi keengganan pada motor untuk menghasilkan tork keengganan bersama dengan tork magnetik (dihasilkan oleh magnet). Seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah ini, kita dapat mencapai tahap tork yang lebih tinggi untuk arus yang sama dengan penambahan tork keengganan. Ini akan berlaku dengan motor IPM (Magnet Kekal Dalaman). (Terdapat motor yang semata-mata berfungsi pada kesan keengganan tetapi kita tidak akan membincangkannya di sini.) Topik seterusnya akan membantu anda memahami hubungan fluks dan keunggulan dengan lebih baik.

(Catatan: Angle Advance pada gambar di bawah merujuk kepada perbezaan fasa antara arus stator dan fluks jurang udara.)

Interaksi Flux antara Rotor dan Stator

Flux dalam motor bergerak dari rotor melintasi jurang udara ke stator dan kembali lagi melalui jurang udara kembali ke rotor untuk menyelesaikan gelung medan. Di jalan itu, fluks melihat keengganan yang berbeza (rintangan magnetik). Laminations (keluli) mempunyai keengganan yang sangat rendah kerana μ tinggi _r (kebolehtelapan relatif keluli adalah dalam lingkungan ribu) manakala ruang udara mempunyai keengganan yang sangat tinggi (μ _r lebih kurang sama dengan 1).

MMF (daya magnetomotif) yang dikembangkan di seluruh keluli sangat kurang kerana mempunyai keengganan yang dapat diabaikan berbanding dengan jurang udara. (Analog untuk litar elektrik adalah: Sumber voltan (magnet) menggerakkan arus (fluks) melalui perintang (keengganan jurang udara). Konduktor (keluli) yang disambungkan ke perintang mempunyai rintangan yang sangat rendah dan kita dapat mengabaikan penurunan voltan (Penurunan MMF) di seberang). Oleh itu struktur keluli pemegun dan pemutar mempunyai pengaruh yang tidak dapat diabaikan dan seluruh MMF dikembangkan di sebalik keengganan jurang udara yang berkesan (sebarang bahan bukan ferus di jalan fluks dianggap mempunyai kebolehtelapan relatif sama dengan jurang udara). Panjang jurang udara boleh diabaikan berbanding dengan diameter pemutar dan dapat diandaikan dengan selamat bahawa fluks dari pemutar adalah tegak lurus dengan stator.Terdapat kesan fringing dan lain-lain yang disebabkan oleh slot dan gigi tetapi ini umumnya tidak dihiraukan dalam memodelkan mesin. (Anda TIDAK BOLEH mengabaikannya semasa merancang mesin). Tetapi fluks di celah udara tidak hanya diberikan oleh fluks rotor (magnet sekiranya mesin magnet kekal). Arus dalam gegelung stator juga menyumbang kepada fluks. Interaksi 2 fluks ini akan menentukan daya kilas yang bertindak pada motor. Dan istilah yang menerangkannya disebut penghubung fluks jurang udara yang berkesan. Ideanya bukan untuk masuk ke dalam matematik dan memperoleh persamaan tetapi mengambil dua perkara:Tetapi fluks di celah udara tidak hanya diberikan oleh fluks rotor (magnet sekiranya mesin magnet kekal). Arus dalam gegelung stator juga menyumbang kepada fluks. Interaksi 2 fluks ini akan menentukan daya kilas yang bertindak pada motor. Dan istilah yang menerangkannya disebut penghubung fluks jurang udara yang berkesan. Ideanya bukan untuk masuk ke dalam matematik dan memperoleh persamaan tetapi mengambil dua perkara:Tetapi fluks di celah udara tidak hanya diberikan oleh fluks rotor (magnet sekiranya mesin magnet kekal). Arus dalam gegelung stator juga menyumbang kepada fluks. Interaksi 2 fluks ini akan menentukan daya kilas yang bertindak pada motor. Dan istilah yang menerangkannya disebut penghubung fluks jurang udara yang berkesan. Ideanya bukan untuk masuk ke dalam matematik dan memperoleh persamaan tetapi mengambil dua perkara:

• Kami hanya memperhatikan fluks di celah udara kerana seluruh MMF dikembangkan di seberang.
• Perhubungan fluks yang berkesan dalam jurang udara disebabkan oleh arus stator dan fluks rotor (magnet) dan interaksi di antara mereka menghasilkan daya kilas.

Gambar di atas menunjukkan pemutar dan pemegun pelbagai jenis motor. Menarik untuk mengetahui yang mana yang menonjol dan mana yang tidak?

Catatan: Pada setiap motor ini dua paksi ditandakan - D dan Q. (Q-Axis adalah paksi magnet dan paksi D adalah tegak lurus elektrik dengannya). Kami akan kembali ke paksi D dan Q dalam artikel akan datang. Tidak penting untuk soalan di atas.

Jawapan:

A, B, C - non-salient, D, E, F, G, H - salient (magnet mempengaruhi keengganan dalam kedudukan pemutar yang berbeza, lihat rajah di bawah, di J, K- kedua-dua pemutar dan stator tidak menonjol.

Kami akan menamatkan artikel ini pada ketika ini. Lebih banyak matematik dan pemodelan mesin dapat dibincangkan tetapi akan menjadi terlalu rumit di sini. Kami telah merangkumi sebahagian besar topik yang diperlukan untuk memahami kawalan motor. Rangkaian artikel seterusnya akan langsung beralih ke Field Oriented Control (FOC), Space Vector Modulation (SVM), Flux Weakening, dan semua aspek perkakasan dan perisian praktikal di mana anda mungkin akan terjebak sebaik sahaja anda mula merancang pengawal.