Silniki elektryczne w praktyce elektronika - EP.pdf

(1519 KB) Pobierz

K U R S

Silniki elektryczne w praktyce

elektronika, część 1

Jak dzia³a silnik elektryczny

ìNa przewodnik z†pr¹dem w†polu

magnetycznym dzia³a si³a F rÛwna....î

- tyle mniej wiÍcej kaødy pamiÍta ze

szko³y. Øeby zrobiÊ z†tego silnik elek-

tryczny, potrzebny jest nieruchomy sto-

jan i†osadzony na ³oøyskach wirnik.

Kaødy z†tych elementÛw musi spe³niaÊ

przynajmniej jeden warunek:

- musi umoøliwiÊ przep³yw pr¹du,

- musi wytwarzaÊ w³asne pole magne-

tyczne.

Øeby chcia³o siÍ to jeszcze krÍciÊ,

potrzebna jest cykliczna zmiana kierun-

ku przep³ywu pr¹du lub zmiana orien-

tacji i†natÍøenia (wirowanie) pola mag-

netycznego. Takie minimum teorii wy-

starczy do zrozumienia dzia³ania wiÍk-

szoúci silnikÛw elektrycznych.

Na co dzieÒ nie zdajemy sobie sprawy, jak olbrzymia

liczba rÛønych silnikÛw elektrycznych nas otacza. Wielu

elektronikÛw buduj¹c sterowniki mikroprocesorowe,

chcia³oby skorzystaÊ z†tego bogactwa, ale nie zawsze

wiadomo, jak to zrobiÊ.

Dlatego postanowi³em przybliøyÊ Czytelnikom temat

w³aúciwoúci i†sposobÛw sterowania typowych silnikÛw

elektrycznych - moøe w†sposÛb nienaukowy, przystÍpnie

i†bez stosowania wyøszej matematyki.

tzn. moc pobierana przez silnik pod-

czas pracy z†normaln¹ prÍdkoúci¹ obro-

tow¹. Moc mechaniczna, tzw. moc na

wale, jest mniejsza i†zaleøy od spraw-

noúci silnika (typowo 40...80%).

NapiÍcie zasilania . Znamionowa

wartoúÊ napiÍcia zasilaj¹cego (sta³ego

lub zmiennego), przy ktÛrej okreúlane

s¹ inne parametry. WiÍkszoúÊ silnikÛw

moøe byÊ zasilana napiÍciem niøszym

(minimalnie od 5%U z dla silnikÛw ko-

mutatorowych i†od 70%U z dla induk-

cyjnych). Nie naleøy stosowaÊ napiÍÊ

duøo wyøszych od znamionowego (mak-

simum +15%).

Moment obrotowy . W†uproszczeniu

jest to si³a, z†jak¹ silnik potrafi krÍciÊ

obci¹øeniem. Podawany jest w†Nm (niu-

ton * metr), typowe wartoúci dla ma-

³ych silnikÛw: od 0,01 do 50 Nm.

Moment rozruchowy . Jest to bardzo

waøny parametr, informuj¹cy o†tym, czy

silnik jest w†stanie wystartowaÊ pod ob-

ci¹øeniem. Moøe byÊ podany w†Nm lub

w†procentach momentu obrotowego.

W†zaleønoúci od rodzaju silnika moment

rozruchowy moøe byÊ ma³y (do 150%),

úredni (150...250%) lub duøy (powyøej

250%). Moment rozruchowy moøe byÊ

parametrem decyduj¹cym o†przydatnoúci

silnika do okreúlonych zastosowaÒ. Naj-

mniejsze wymagania stawia napÍd wen-

tylatorÛw - obci¹øenie startowe jest ze-

rowe i†roúnie z†kwadratem prÍdkoúci ob-

rotowej, moøna zastosowaÊ nawet silnik

z†momentem rozruchowym niøszym od

100%. Najtrudniejsze warunki rozruchu

wystÍpuj¹ w†napÍdach sprÍøarek, düwi-

gÛw oraz pojazdÛw.

Obroty znamionowe . Zawsze s¹ poda-

wane obroty w†normalnych warunkach

pracy, tzn. przy znamionowym obci¹øe-

niu i†napiÍciu zasilania. Obroty silnikÛw

mog¹ zawieraÊ siÍ w†granicach

100...100000 obr./min., ale najczÍúciej spo-

tykane wartoúci to 1000...4000 obr./min.

Pr¹d znamionowy i†pr¹d rozrucho-

wy . Pr¹d znamionowy jest to pobÛr

pr¹du w†normalnych warunkach pracy.

Pr¹d rozruchowy wystÍpuje tylko pod-

czas rozpÍdzania silnika i†jest 2...8-krot-

nie wiÍkszy od pr¹du znamionowego

(najwiÍksze pr¹dy rozruchowe maj¹ sil-

niki indukcyjne). Warto o†tym pamiÍ-

taÊ, projektuj¹c uk³ad sterowania i†zasi-

lania silnika.

Podzia³ silnikÛw elektrycznych

Istnieje ponad sto rodzajÛw silni-

kÛw, rÛøni¹cych siÍ zasad¹ pracy, bu-

dow¹ i†w³aúciwoúciami. NiektÛre rodza-

je wystÍpuj¹ tylko w†podrÍcznikach

i†prÛøno ich szukaÊ†w†sklepach. Poniø-

szy podzia³ obejmuje najwaøniejsze ty-

py silnikÛw, produkowane masowo:

Silniki pr¹du sta³ego

- komutatorowe, w†rodzinie ktÛrych s¹

produkowane:

- silniki z†magnesem trwa³ym;

- silniki szeregowe;

- silniki bocznikowe;

- silniki szeregowo-bocznikowe;

- z†wiruj¹cym magnesem, w†rodzinie

ktÛrych s¹ produkowane:

- dwubiegunowe z†czujnikami Halla,

- wielobiegunowe z†czujnikami Halla

lub enkoderem,

- krokowe, w†rodzinie ktÛrych s¹ pro-

dukowane:

- unipolarne,

- bipolarne,

- liniowe.

Silniki pr¹du zmiennego

- komutatorowe (uniwersalne),

- asynchroniczne 1-fazowe, w†rodzinie

ktÛrych s¹ produkowane:

- kondensatorowe;

- ze zwart¹ faz¹ rozruchow¹;

- z†od³¹czanym uzwojeniem rozruchowym;

- asynchroniczne 3-fazowe,

- synchroniczne.

Silniki komutatorowe pr¹du

sta³ego z†magnesem trwa³ym

(PMDC)

Konstrukcja silnika komutatorowego

jest znana od 100 lat i†mimo swoich

wad silniki te nadal s¹ powszechnie

stosowane, g³Ûwnie ze wzglÍdu na ³at-

woúÊ regulacji obrotÛw i†momentu ob-

rotowego.

KonstrukcjÍ silnika komutatorowego

z†magnesem trwa³ym przedstawiono na

rys. 1 . Uzwojenia wirnika umieszczo-

ne s¹ w†szczelinach øelaznego rdzenia

i†pod³¹czone do komutatora. Komutator

sk³ada siÍ z†wielu p³ytek miedzianych

umieszczonych na bocznej powierzchni

walca, po ktÛrym úlizgaj¹ siÍ wÍglowe

szczotki zasilane pr¹dem. Zadaniem

komutatora jest prze³¹czanie kierunku

przep³ywu pr¹du w†uzwojeniach, tak

aby oddzia³ywanie z†polem magnetycz-

nym stojana wprawi³o wirnik w†ruch

obrotowy. Obroty silnika komutatoro-

wego zaleø¹ liniowo od napiÍcia zasi-

lania, a†moment obrotowy od natÍøe-

nia pr¹du. ZmianÍ kierunku obrotÛw

uzyskuje siÍ poprzez zmianÍ bieguno-

Wybrane parametry silnikÛw

elektrycznych

Podstawowe parametry silnika s¹

zwykle podane na jego tabliczce zna-

mionowej, pozosta³e - np. moment roz-

ruchowy, pr¹d rozruchowy, moøna zna-

leüÊ tylko w†katalogach lub oszacowaÊ

wed³ug w³aúciwoúci poszczegÛlnych ro-

dzajÛw silnikÛw.

Moc znamionowa . Zazwyczaj jest

podawana moc elektryczna w†watach,

Rys. 1. Budowa silnika komutatorowe−

go z magnesem trwałym

Elektronika Praktyczna 12/2003

85

806535839.222.png

806535839.233.png

806535839.244.png

806535839.255.png

806535839.001.png

806535839.012.png

806535839.023.png

806535839.034.png

806535839.044.png

806535839.055.png

K U R S

jemy wtedy silnik z†dwoma uzwojenia-

mi: stojana i†wirnika. W†zaleønoúci od

uk³adu po³¹czeÒ otrzymamy silnik sze-

regowy, bocznikowy lub szeregowo-

bocznikowy ( rys. 3 ). Silnik szeregowy

ma bardzo duøy moment obrotowy

i†rozruchowy, ale ìmiÍkk¹î charakterys-

tykÍ obci¹øenia, tzn. obroty bardzo sil-

nie zaleø¹ od obci¹øenia silnika. Bez

obci¹øenia silnik szeregowy moøe roz-

pÍdzaÊ siÍ bez ograniczeÒ, aø do jego

zniszczenia - tzw. ìrozbieganie siÍî sil-

nika. Wady tej jest pozbawiony silnik

bocznikowy - jego obroty s¹ sta³e i†pra-

wie niezaleøne od obci¹øenia. Niestety

silniki bocznikowe (poza bardzo ma³y-

mi) wymagaj¹ skomplikowanych uk³a-

dÛw p³ynnego rozruchu ograniczaj¹cych

pr¹d rozruchowy, a†moment rozruchowy

jest duøo mniejszy niø w†silnikach sze-

regowych. Silnik szeregowo-bocznikowy

ma charakterystykÍ zbliøon¹ do szere-

gowego, dodatkowe uzwojenie boczniko-

we ogranicza maksymalne obroty przy

pracy bez obci¹øenia.

Regulacja obrotÛw jest moøliwa po-

przez zmianÍ napiÍcia zasilania. Kie-

runek obrotÛw jest sta³y bez wzglÍdu

na biegunowoúÊ zasilania, zmiana kie-

runku wymaga zamiany miejscami koÒ-

cÛwek jednego z†uzwojeÒ: wirnika lub

stojana.

Szeregowe silniki pr¹du sta³ego na

12 V†i†24 V s¹ powszechnie stosowane

w†samochodach (dmuchawa - 120 W,

wycieraczki - 50 W, rozrusznik - 1200

W) oraz w†wiertarkach akumulatoro-

wych. Silniki wiÍkszej mocy spotyka

siÍ w†napÍdach maszyn oraz - bardzo

duøe - w†pojazdach szynowych. Silniki

bocznikowe i†szeregowo-bocznikowe

uøywane s¹ g³Ûwnie w†przemyúle -

m.in. do napÍdu düwigÛw.

niska czÍstotliwoúÊ moøe powodowaÊ

skokowe zmiany momentu obrotowego

a†zbyt wysoka - straty indukcyjne w†sil-

niku. Naleøy tak dobraÊ czÍstotliwoúÊ,

aby na kaødy obrÛt silnika przypada³o

przynajmniej kilka impulsÛw.

Taki sposÛb sterowania jest bardzo

wygodny w†przypadku mikroproceso-

rÛw - generator PWM moøe byÊ ³at-

wo zrealizowany programowo (niektÛ-

re procesory maj¹ teø sprzÍtowy ge-

nerator PWM). Przyk³adowy uk³ad ste-

rowania obrotami silnika 12†V/20†W

przedstawiono na rys. 4 . W†uk³adzie

dodatkowo wprowadzono moøliwoúÊ

zmiany kierunku obrotÛw za pomoc¹

przekaünika sterowanego wyjúciem

DIR. Jeøeli nie ma takiej potrzeby to

silnik pod³¹cza siÍ bezpoúrednio miÍ-

dzy dren tranzystora mocy i†ìplusî

zasilania. Przy doborze elementÛw na-

leøy zwrÛciÊ uwagÍ na kilka istotnych

szczegÛ³Ûw:

- Dioda D1 jest nie tylko elementem

t³umi¹cym przepiÍcia, ale umoøliwia

takøe zachowanie ci¹g³oúci przep³ywu

pr¹du w†indukcyjnoúci silnika. Nie

powinna to byÊ zwyk³a dioda pros-

townicza 1N4001, lecz dioda szybka

na pr¹d 1...3 A†(np. BY299, BY397,

BYT03, BYW72).

- Tranzystor kluczuj¹cy moøe byÊ typu

MOS lub bipolarny, powinien mieÊ

dopuszczalny pr¹d drenu (kolektora)

przynajmniej 3-krotnie wiÍkszy od

pr¹du znamionowego silnika. Jeøeli

stosujemy tranzystor bipolarny (np.

Darlington TIP122), to R1=R2=1,8 k

Rys. 2. Budowa silnika z wirnikiem bez

żelaza

woúci zasilania. Obroty moøna ³atwo

regulowaÊ w†szerokich granicach (od

5% do 110% obrotÛw znamionowych)

z†zachowaniem duøego momentu obro-

towego. Istnieje teø odmiana silnika

komutatorowego - tzw. silnik z†wirni-

kiem bez øelaza ( rys. 2 ). W†takim sil-

niku wirnik nie posiada rdzenia øe-

laznego i†jest wykonany podobnie do

p³ytki drukowanej - uzwojenia s¹ wy-

konane w†postaci taúm miedzianych

przyklejonych do kr¹øka z†laminatu.

Ze wzglÍdu na bardzo ma³¹ masÍ

wirnika taki silnik ma ma³¹ bezw³ad-

noúÊ - moøe wiÍc startowaÊ bardzo

szybko i†osi¹gaÊ duøe prÍdkoúci obro-

towe. Szczotki s¹ dociskane do obrze-

øa wirnika, rolÍ komutatora pe³ni¹

pola stykowe na jego obwodzie. Sil-

niki tego typu uøywane s¹ do napÍdu

wirÛwek i†do bardzo szybkich serwo-

mechanizmÛw.

Dodatkow¹ zalet¹ silnikÛw z†magne-

sem trwa³ym jest ³atwoúÊ hamowania.

Wykorzystuje siÍ tutaj odwracalnoúÊ

pracy takiego silnika: obracanie wirni-

kiem bez zasilania powoduje, øe silnik

staje siÍ pr¹dnic¹. Wystarczy w†chwili

od³¹czenia zasilania zewrzeÊ zaciski sil-

nika, aby powsta³ duøy moment hamu-

j¹cy (zaawansowane sterowniki takich

silnikÛw potrafi¹ odzyskiwaÊ energiÍ

hamowania silnika i†zwracaÊ j¹ do

ürÛd³a zasilania).

Niestety silniki komutatorowe maj¹

teø wady. Najwaøniejsza z†nich to zu-

øywanie siÍ szczotek i†komutatora, co

wymaga okresowej konserwacji silnika

(trwa³oúÊ komutatora jest szacowana na

2...3 tysi¹ce godzin pracy). Poza tym

iskrzenie na komutatorze wytwarza spo-

re zak³Ûcenia elektromagnetyczne, do

tego dochodzi ha³aúliwa praca i†wyso-

kie koszty produkcji.

NiskonapiÍciowe silniki komutatoro-

we z†magnesem trwa³ym s¹ powszech-

nie uøywane w†zabawkach, starszych

modelach magnetofonÛw, niektÛrych

serwomechanizmach. Do niedawna by³y

to najczÍúciej stosowane silniki w†za-

kresie mocy do 20 W, obecnie s¹ wy-

pierane przez nowoczeúniejsze silniki

bezszczotkowe z†wiruj¹cym magnesem.

.

- Zastosowanie dwÛch po³¹czonych

rÛwnolegle inwerterÛw 74HC04

u³atwia szybkie prze³adowywanie

pojemnoúci bramki T1. W†tym celu

moøna zamiennie uøyÊ np. bufora

mocy 74HC240 i†R1=100

Ω

(dla

czÍstotliwoúci kluczowania powyøej

1 kHz lepiej jest uøyÊ tranzystora

bipolarnego).

- Warto zastosowaÊ w†uk³adzie ogra-

nicznik pr¹du obci¹øenia (lub bez-

piecznik) dla unikniÍcia uszkodzeÒ

w†przypadku przeci¹øenia silnika.

- W†programie steruj¹cym trzeba

uwzglÍdniÊ koniecznoúÊ zatrzymania

Ω

Sterowniki silnikÛw

komutatorowych

Opisane poniøej uk³ady mog¹ byÊ

stosowane do wszystkich rodzajÛw sil-

nikÛw komutatorowych, jednak zmiana

kierunku obrotÛw i†hamowanie jest

moøliwe tylko w†przypadku silnikÛw

z†magnesem trwa³ym.

Najprostszym sposobem regulacji ob-

rotÛw jest zastosowanie po-

tencjometru o†odpowiednio

duøej mocy, trochÍ lepszym

- regulowany stabilizator na-

piÍcia. Niestety podstawow¹

wad¹ obu uk³adÛw jest za-

miana duøej traconej mocy

w†ciep³o. Dlatego teø po-

wszechnie stosowane jest za-

silanie silnika fal¹ prostok¹t-

n¹ o†zmiennym wspÛ³czynni-

ku wype³nienia PWM. Ca³-

kowanie impulsÛw steruj¹-

cych, dziÍki czemu ruch

wirnika jest p³ynny, odbywa

siÍ w†sposÛb naturalny - po-

przez bezw³adnoúÊ wirnika.

CzÍstotliwoúÊ impulsÛw za-

wiera siÍ w†przedziale od

100 Hz do kilku kHz. Zbyt

Silniki komutatorowe szeregowe

i†bocznikowe

Zamiast magnesu trwa³ego moøna

do wytworzenia pola magnetycznego

stojana uøyÊ elektromagnesu, otrzymu-

Rys. 3. W zależności od układu połączeń uzwojeń

silniki mogą być szeregowe, bocznikowe lub

szeregowo−bocznikowe

86

Elektronika Praktyczna 12/2003

806535839.076.png

806535839.087.png

806535839.098.png

806535839.109.png

806535839.120.png

806535839.131.png

806535839.142.png

806535839.153.png

806535839.164.png

806535839.175.png

806535839.186.png

806535839.190.png

806535839.191.png

806535839.192.png

806535839.193.png

806535839.194.png

806535839.195.png

806535839.196.png

806535839.197.png

806535839.198.png

806535839.199.png

806535839.200.png

806535839.201.png

806535839.202.png

806535839.203.png

806535839.204.png

806535839.205.png

806535839.206.png

806535839.207.png

806535839.208.png

806535839.209.png

806535839.210.png

806535839.211.png

K U R S

S³owniczek wybranych angielskich

terminów i skrótów

Armature, winding - uzwojenie

BLDC (Brushless DC motor) - bezszczotkowy

silnik DC z wiruj¹cym magnesem

Brush motor - silnik komutatorowy

Cage motor - silnik indukcyjny AC z wirnikiem

klatkowym

Capstan motor - potoczna nazwa silnika g³ów-

nego w magnetowidach, magnetofonach

Clamp diode - dioda zamykaj¹ca obwód dla

pr¹du samoindukcji

PMDC (Permanent Magnet DC motor) - silnik

komutatorowy z magnesem trwa³ym

REPM (Rare Earth Permanent Magnet) - mag-

nes trwa³y wykonany z pierwiastków ziem

rzadkich (np. neodym)

Spindle motor - 1) potoczna nazwa silnika

g³ównego w napêdach dyskowych i CD, 2)

silnik z elementem napêdzanym zamocowa-

nym bezpoœrednio na osi wirnika

Rotor - wirnik

Stator - stojan

Torque - moment obrotowy

Torque ripple - wahania momentu obrotowego

zale¿ne od k¹ta obrotu wirnika

Voice Coil motor (actuator) - rodzaj silnika (si-

³ownika) liniowego z ruchom¹ cewk¹

X-Bridge (H-Bridge) - mostek 4-tranzystorowy

do bipolarnego sterowania uzwojeñ silników

Rys. 4. Układ sterowania obrotami silnika 12 V/20 W

silnika przed prze³¹czeniem kierunku

obrotÛw, w†przeciwnym razie przez

silnik pop³ynie bardzo duøy pr¹d

w†momencie zmiany kierunku.

- Iskrzenie komutatora moøe zak³ÛcaÊ

pracÍ mikrokontrolera. Silnik moøe

byÊ fabrycznie wyposaøony w†szere-

gowe d³awiki przeciwzak³Ûceniowe,

jeøeli ich brak, to naleøy zastoso-

waÊ dwa d³awiki 22...100

przewodz¹ tranzystory T2 i†T3, to pr¹d

p³ynie od ìplusaî zasilania przez T3,

silnik, T2 i†Rs do masy. W†momencie

zatkania tranzystorÛw pr¹d†samoindukcji

przep³ywa przez D2 i†D3. Sterowanie

T2 i†T3 impulsami z†generatora PWM

pozwala na regulacjÍ obrotÛw silnika.

W†przypadku wysterowania tranzystorÛw

T1 i†T4 pr¹d p³ynie przez silnik

w†przeciwnym kierunku, czyli mamy

zmianÍ†kierunku obrotÛw. Jednoczesne

przewodzenie tranzystorÛw T1 i†T2 to

zwarcie zaciskÛw silnika - hamowanie.

NapiÍcie z†rezystora Rs jest podawane

na wejúcie komparatora - ogranicznika

pr¹du. Nazwa mostek X†lub mostek

H†pochodzi od graficznego przedstawie-

nia przep³ywu pr¹du, przypominaj¹cego

literÍ X†lub H.

Na rys. 6 przedstawiono schemat

aplikacyjny scalonego sterownika

A3953 firmy Allegro Microsystems,

dzia³aj¹cego wed³ug opisanych powyøej

zasad. Na wejúcie /ENABLE s¹ poda-

wane impulsy z†generatora PWM,

a†stan logiczny na wejúciu PHASE de-

cyduje o†kierunku obrotÛw. Na wejúcie

/BRAKE naleøy podaÊ '1' (stan '0' na

wejúciu /BRAKE powoduje hamowanie

silnika), wejúcie MODE powinno

mieÊ†stan '0'. Do wejúcia REF do³¹cza

siÍ napiÍcie sta³e z†zakresu 0...0,65

V†w†celu ustalenia wartoúci ogranicza-

nia pr¹du silnika (maksymalny pr¹d

wyjúciowy uk³adu 3953 wynosi 1,3 A).

Uk³ad moøe byÊ zasilany dwoma rÛø-

nymi napiÍciami: V BB (tranzystory wyj-

úciowe) i†V CC (czÍúÊ cyfrowa), dziÍki

temu moøliwe jest bezpoúrednie stero-

wanie wejúÊ A3953 z†wyjúÊ mikropro-

cesora.

H przy-

stosowane do odpowiednio duøego

pr¹du (miniaturowe d³awiki w†obu-

dowach ìrezystorowychî siÍ nie na-

daj¹).

Na rys. 5 przedstawiono uproszczo-

ny schemat sterownika w†uk³adzie mos-

tkowym X, umoøliwiaj¹cy sterowanie

prÍdkoúci¹ obrotow¹, kierunkiem obro-

tÛw†oraz hamowanie silnika komutato-

rowego z†magnesem trwa³ym. Jeøeli

µ

w†tym samym kierunku niezaleønie od

biegunowoúci zasilania - czyli powinien

prawid³owo pracowaÊ takøe przy zasi-

laniu pr¹dem zmiennym. W†praktyce

czÍsto rdzeÒ wirnika i†stojana jest wy-

konany z†jednego kawa³ka metalu i†stra-

ty wywo³ane pr¹dami wirowymi by³yby

bardzo duøe. Dlatego teø w†silnikach

uniwersalnych rdzenie wykonane s¹

w†formie pakietÛw z†cienkich blaszek

(jak w†transformatorach sieciowych). Ta-

ki silnik moøe byÊ zasilany pr¹dem

zmiennym lub sta³ym i†dlatego nazywa-

ny jest silnikiem uniwersalnym. Tego

typu silniki s¹ powszechnie uøywane

Przydatne linki internetowe

Polskie:

- http://www.silniki.pl - dystrybutor silników

i sterowników, doskonale opracowane

informacje praktyczne i teoretyczne,

- http://www.robot.opole.pl - du¿o teorii na

temat silników komutatorowych i liniowych,

- http://www.mikroma.com, http://

www.elcar.com.pl, http://

www.wamel.com.pl - polscy producenci

silników,

Zagraniczne:

- http://www.allegromicro.com - firma

Allegro Microsystems - producent

scalonych sterowników silników, ciekawe

poradniki i noty aplikacyjne,

- http://us.st.com/stonline/books - karty

katalogowe i noty aplikacyjne sterowników

firmy ST Microelectronics,

- http://www.maxonmotor.com - strona

renomowanego szwajcarskiego producenta

silników DC,

Silniki komutatorowe

uniwersalne

Silniki uniwersalne wystÍpuj¹ w†kla-

syfikacji jako silniki pr¹du zmiennego,

jednak nie do koÒca jest to prawda.

Jak wspomniano wczeúniej, silnik ko-

mutatorowy szeregowy obraca siÍ

-

http://www.compumotor.com - strona

firmy Parker Motion & Control, która

opracowa³a doskona³y poradnik “Motor

Technologies” (dostêpny tak¿e na stronie

Allegro Microsystems).

Rys. 5. Uproszczony schemat sterowni−

ka w układzie mostkowym X

88

Elektronika Praktyczna 12/2003

806535839.212.png

806535839.213.png

806535839.214.png

806535839.215.png

806535839.216.png

806535839.217.png

806535839.218.png

806535839.219.png

806535839.220.png

806535839.221.png

806535839.223.png

806535839.224.png

806535839.225.png

806535839.226.png

806535839.227.png

806535839.228.png

806535839.229.png

806535839.230.png

806535839.231.png

806535839.232.png

806535839.234.png

806535839.235.png

806535839.236.png

806535839.237.png

806535839.238.png

806535839.239.png

806535839.240.png

806535839.241.png

806535839.242.png

806535839.243.png

806535839.245.png

806535839.246.png

806535839.247.png

806535839.248.png

806535839.249.png

806535839.250.png

806535839.251.png

806535839.252.png

806535839.253.png

806535839.254.png

806535839.256.png

806535839.257.png

806535839.258.png

806535839.259.png

806535839.260.png

806535839.261.png

806535839.262.png

806535839.263.png

806535839.264.png

806535839.265.png

806535839.002.png

806535839.003.png

806535839.004.png

806535839.005.png

806535839.006.png

806535839.007.png

806535839.008.png

806535839.009.png

806535839.010.png

806535839.011.png

806535839.013.png

806535839.014.png

806535839.015.png

806535839.016.png

806535839.017.png

806535839.018.png

806535839.019.png

806535839.020.png

806535839.021.png

806535839.022.png

806535839.024.png

806535839.025.png

806535839.026.png

806535839.027.png

806535839.028.png

806535839.029.png

806535839.030.png

806535839.031.png

806535839.032.png

806535839.033.png

806535839.035.png

806535839.036.png

K U R S

w†sprzÍcie gospodarstwa domowego (ro-

boty kuchenne, miksery, m³ynki, odku-

rzacze) oraz w†elektronarzÍdziach.

W†przypadku uøywania silnikÛw uni-

wersalnych z†odzysku, naleøy pamiÍtaÊ

o†moøliwoúci rozbiegania siÍ silnika

szeregowego przy braku obci¹øenia.

SzczegÛlnie dotyczy to silnikÛw z†od-

kurzaczy: maj¹ one prÍdkoúÊ znamiono-

w¹ ok. 12†000 obr./min. w†warunkach

obci¹øenia turbin¹, a†bez obci¹øenia po-

trafi¹ osi¹gn¹Ê kilkadziesi¹t tysiÍcy ob-

rotÛw. Przestrzegam przed prÛbami wy-

korzystania silnika z†odkurzacza do bu-

dowy szlifierki - przy np. 30†000 obr./

min. rozpadaj¹ca siÍ tarcza szlifierska

powoduje efekt zbliøony do wybuchu

granatu!

Elektroniczne uk³ady regulacji ob-

rotÛw silnikÛw uniwersalnych zwykle

budowane s¹ w†oparciu o†triaki ze

sterowaniem fazowym. Schematy ta-

kich uk³adÛw moøna bez problemu

znaleüÊ w†literaturze (np. z†uk³adem

U2008 lub U2010B firmy Temic).

Moøna teø zasiliÊ silnik uniwersal-

ny pr¹dem sta³ym o†napiÍciu 230 V,

ale zbudowanie odpowiedniego zasi-

lacza nie jest rzecz¹ prost¹ - wy-

prostowanie i†odfiltrowanie napiÍcia

sieci da na wyjúciu ok. 320 VDC.

Rys. 6. Schemat aplikacyjny scalonego sterownika silników − A3953

Gdyby jednak to siÍ uda³o, to uzys-

kamy odrobinÍ wiÍksz¹ sprawnoúÊ

silnika (brak strat na przemagneso-

wanie rdzenia) i†moøemy regulowaÊ

obroty opisan¹ wczeúniej metod¹

PWM. Do celÛw przemys³owych uøy-

wa siÍ czasem silnikÛw uniwersal-

nych, przewidzianych do pracy przy

napiÍciu 320 VDC (wyprostowane na-

piÍcie sieci) lub 550 VDC (wyprosto-

wane napiÍcie trÛjfazowe).

Jacek Przepiórkowski

Elektronika Praktyczna 12/2003

89

806535839.037.png

806535839.038.png

806535839.039.png

806535839.040.png

806535839.041.png

806535839.042.png

806535839.043.png

806535839.045.png

806535839.046.png

806535839.047.png

806535839.048.png

806535839.049.png

806535839.050.png

806535839.051.png

806535839.052.png

806535839.053.png

806535839.054.png

806535839.056.png

806535839.057.png

806535839.058.png

806535839.059.png

806535839.060.png

806535839.061.png

806535839.062.png

806535839.063.png

806535839.064.png

806535839.065.png

806535839.066.png

806535839.067.png

806535839.068.png

806535839.069.png

806535839.070.png

806535839.071.png

806535839.072.png

806535839.073.png

806535839.074.png

806535839.075.png

806535839.077.png

806535839.078.png

806535839.079.png

806535839.080.png

806535839.081.png

806535839.082.png

806535839.083.png

806535839.084.png

806535839.085.png

806535839.086.png

806535839.088.png

806535839.089.png

806535839.090.png

806535839.091.png

806535839.092.png

806535839.093.png

806535839.094.png

806535839.095.png

806535839.096.png

806535839.097.png

806535839.099.png

806535839.100.png

806535839.101.png

806535839.102.png

806535839.103.png

806535839.104.png

806535839.105.png

806535839.106.png

806535839.107.png

806535839.108.png

806535839.110.png

806535839.111.png

806535839.112.png

806535839.113.png

806535839.114.png

K U R S

Silniki elektryczne w praktyce

elektronika, część 2

Bezszczotkowe silniki DC s¹ znane od

bardzo dawna, jednak ich powszechne za-

stosowanie umoøliwi³y dopiero tanie sca-

lone sterowniki impulsowe. Budowa silni-

ka z†wiruj¹cym magnesem jest

"odwrÛceniem" budowy silnika komutatoro-

wego z†magnesem trwa³ym: uzwojenia

znajduj¹ siÍ w†stojanie a†wirnik wykonany

jest z†odpowiednio ukszta³towanego magne-

su. W†terminologii angielskiej uøywa siÍ

dla silnikÛw bezszczotkowych akronimu

BLDC, od Brushless DC Motor .

Ze wzglÍdu na liczbÍ uzwojeÒ, wyrÛø-

niamy silniki bezszczotkowe 2-fazowe i†3-

fazowe, natomiast w†zaleønoúci od sposo-

bu zasilania uzwojeÒ - silniki unipolarne

i†bipolarne.

Drug¹ czÍúÊ artyku³u poúwiÍcamy bezszczotkowym silnikom

DC z†wiruj¹cym magnesem. Silniki tego rodzaju nie

istnia³yby bez elektronicznych uk³adÛw steruj¹cych, ktÛre

takøe†opisujemy w†artykule.

tylko 2†zaciski zasilania, co uniemoøliwia

regulacjÍ kierunku i†prÍdkoúci obrotowej

(niektÛre wbudowane sterowniki zmieniaj¹

kierunek obrotÛw silnika przy zmianie bie-

gunowoúci zasilania). W†bardziej rozbudo-

wanych s¹ wejúcia steruj¹ce (analogowe

lub cyfrowe) do regulacji obrotÛw. Najwy-

øszej klasy sterowniki maj¹ takøe wejúcia

komunikacji szeregowej, umoøliwiaj¹ce

konfigurowanie sterownika za pomoc¹ mik-

roprocesora, komputera PC lub wspÛ³pracÍ

ze sterownikami PLC, czujnikami po³oøe-

nia i maj¹ wbudowane algorytmy roz-

pÍdzania/hamowania i†wiele innych ìbaje-

rÛwî. Sterowniki wyøszej klasy zwykle nie

s¹ wbudowane, lecz stanowi¹ modu³ do³¹-

czany do silnika.

W†uk³adzie o schemacie z rys. 7 czuj-

niki Halla powoduj¹ przep³yw pr¹du przez

uzwojenie A†lub B†w†zaleønoúci od po³o-

øenia k¹towego wirnika. Pole magnetyczne

cewek oddzia³uje z†polem magnesu, czego

efektem jest obrÛt wirnika. Analizuj¹c

dzia³anie uk³adu ³atwo zauwaøyÊ, øe mo-

ment obrotowy jest maksymalny w†momen-

cie poziomego ustawienia osi magnetycz-

nej wirnika (jak na rysunku), natomiast po

obrÛceniu wirnika o†90 o moment obrotowy

wynosi zero. Konsekwencj¹ tego faktu jest

niemoøliwoúÊ uruchomienia silnika przy

niektÛrych po³oøeniach wirnika. Moøna so-

bie z†tym poradziÊ poprzez podzia³ uzwo-

jeÒ na pasma u³oøone naprzemiennie lub

zwiÍkszaj¹c liczbÍ biegunÛw magnetycz-

nych wirnika. Przyk³ad silnika o takiej

budowie pokazano na rys. 8 . Kaøde uzwo-

jenie jest podzielone na 4†pasma, a†wirnik

ma 4†bieguny. Symbole ì+î i†ì-î oznacza-

j¹ kierunki uzwojeÒ, sekcje A1+, A2+, A1-

, A2- s¹ po³¹czone szeregowo (analogicz-

nie dla uzwojenia B). W†tak skonstruo-

wanym silniku zmiany momentu obrotowe-

go w†funkcji k¹ta obrotu s¹ mniejsze, ale

nadal dokuczliwe.

Nieco zmodyfikowany uk³ad z†rys. 7

jest powszechnie stosowany w†miniaturo-

wych wentylatorach, uøywanych m.in. do

ch³odzenia urz¹dzeÒ elektronicznych. Ze

wzglÍdu na brak generatora ustalaj¹cego

prÍdkoúÊ obrotow¹, moøna zmieniaÊ obro-

ty takich wentylatorÛw poprzez zmianÍ

napiÍcia zasilania (w zakresie 50...120 %

prÍdkoúci znamionowej). Niestety przy ta-

kim sterowaniu moment obrotowy maleje

przy zmniejszaniu obrotÛw. Powyøej pew-

nego napiÍcia granicznego wentylator mo-

øe przestaÊ pracowaÊ z†powodu zadzia³a-

nia uk³adÛw zabezpieczaj¹cych przed prze-

ci¹øeniem.

W³aúciwoúci i†zastosowanie

silnikÛw BLDC

Parametry mechaniczne bezszczotko-

wych silnikÛw DC s¹ porÛwnywalne z†sil-

nikami komutatorowymi z†magnesem trwa-

³ym - podobna moc i†moment obrotowy

przy zbliøonych wymiarach i†masie. Istot-

nymi ich zaletami s¹:

- wysoka trwa³oúÊ, ograniczona praktycz-

nie wytrzyma³oúci¹ ³oøysk wirnika,

- moøliwoúÊ bardzo precyzyjnej regulacji

obrotÛw - dziÍki zaawansowanym uk³a-

dom sterownikÛw moøna sterowaÊ k¹tem

obrotu wirnika podobnie jak w†silnikach

krokowych.

Cena silnika bezszczotkowego jest

2...3-krotnie wyøsza od podobnego silnika

komutatorowego, jednak kompensuje j¹ 20-

krotnie wiÍksza trwa³oúÊ. MoøliwoúÊ pre-

cyzyjnego sterowania powoduje, øe w†wie-

lu aplikacjach s¹†one stosowane zamiast

silnikÛw krokowych - od ktÛrych s¹

mniejsze, løejsze i†sprawuj¹ siÍ lepiej przy

duøych prÍdkoúciach obrotowych.

Obecnie silniki bezszczotkowe z†wiru-

j¹cym magnesem s¹ powszechnie stosowa-

ne w†serwonapÍdach maszyn oraz w†sprzÍ-

cie powszechnego uøytku (magnetowidy,

magnetofony, wideokamery, napÍdy CD/

DVD). Wypieraj¹ teø silniki krokowe w†na-

pÍdach dyskÛw komputerowych.

Bardzo czÍsto elektroniczny sterownik

jest wbudowany w†silnik. W†najprostszych

silnikach na zewn¹trz s¹ wyprowadzone

Zasada dzia³ania,

silnik 2-fazowy BLDC

ZasadÍ dzia³ania i†uproszczony sche-

mat sterowania silnika 2-fazowego przed-

stawiono na rys. 7 . Elementy oznaczone

jako H1 i†H2 to czujniki Halla (scalone

czujniki pola magnetycznego). Typowy

czujnik Halla stosowany w†silnikach jest

elementem 3-koÒcÛwkowym (ì+î, ì-î

i†wyjúcie) w†obudowie zbliøonej do

obudowy tranzystorÛw ma³ej mocy. Pod

wp³ywem pola magnetycznego o†okreúlo-

nej biegunowoúci, wyjúcie czujnika zmie-

nia stan w†momencie przekroczenia pro-

gowej wartoúci natÍøenia pola. Czujniki

Halla produkuje wiele firm, m.in. Allegro

(A3240, A3280, A3141), Texas (TLE4905,

TLE4945), Everlight(HI300). Produkowane

s¹ takøe czujniki bipolarne, posiadaj¹ce

dwa wyjúcia S†i†N†(lub ì+î i†ì-î). Sygna³

pojawia siÍ na odpowiednim wyjúciu

w†zaleønoúci od biegunowoúci pola mag-

netycznego.

Rys. 7. Zasada działania i uproszczony

schemat sterowania silnika 2−fazowego

Rys. 8. Zmodyfikowane uzwojenie silnika

dwufazowego

Rys. 9. 2−fazowe sterowanie bipolarne

Elektronika Praktyczna 1/2004

95

806535839.115.png

806535839.116.png

806535839.117.png

806535839.118.png

806535839.119.png

806535839.121.png

806535839.122.png

806535839.123.png

806535839.124.png

806535839.125.png

806535839.126.png

806535839.127.png

806535839.128.png

806535839.129.png

806535839.130.png

806535839.132.png

806535839.133.png

806535839.134.png

806535839.135.png

806535839.136.png

806535839.137.png

806535839.138.png

806535839.139.png

806535839.140.png

806535839.141.png

806535839.143.png

806535839.144.png

806535839.145.png

806535839.146.png

806535839.147.png

806535839.148.png

806535839.149.png

806535839.150.png

806535839.151.png

806535839.152.png

806535839.154.png

806535839.155.png

806535839.156.png

806535839.157.png

806535839.158.png

806535839.159.png

806535839.160.png

806535839.161.png

806535839.162.png

806535839.163.png

806535839.165.png

806535839.166.png

806535839.167.png

806535839.168.png

806535839.169.png

806535839.170.png

806535839.171.png

806535839.172.png

806535839.173.png

806535839.174.png

806535839.176.png

806535839.177.png

806535839.178.png

806535839.179.png

806535839.180.png

806535839.181.png

806535839.182.png

806535839.183.png

806535839.184.png

806535839.185.png

806535839.187.png

806535839.188.png

806535839.189.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Różnice między płytami DVD+R,RW i DVD-R,RW.pdf (143 KB)
Prostowniki i filtry - EdW.pdf (406 KB)
Kable - EdW.pdf (257 KB)
Montaż elementów SMD w obudowach QFN - EP.PDF (2432 KB)
Super (ultra) kondensatory - EdW.pdf (673 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin