- Doğrusal Motorun Çalışması
- Faraday yasası
- Lorentz Yasası
- Motorların Tarihi
- Farklı Motor Türleri
- Belirginlik
- Rotor ve Stator arasındaki Akı Etkileşimi
Bir motorun nasıl döndüğünü hiç merak ettiniz mi? İlgili temel unsurlar nelerdir? Nasıl kontrol ediliyor? DC fırçalı motorlar uzun zamandır piyasadadır ve sadece bir DC kaynağı / pille kolayca dönerlerken, endüksiyon motorları ve sabit mıknatıslı senkron motorlar, onları verimli bir şekilde döndürmek için karmaşık elektronik ve kontrol teorisi içerir. Bir DC motorun ne olduğuna veya diğer motor türlerinin ne olduğuna bile gelmeden önce , doğrusal motorun - en temel motorun çalışmasını anlamak önemlidir. Bu, bir motor eğirmenin arkasındaki temelleri anlamamıza yardımcı olacaktır.
Ben bir Güç Elektroniği ve Motor Kontrol Mühendisiyim ve bir sonraki blog motor kontrolü üzerine olacak. Ancak motor kontrolünün derinliğine inmeden önce anlaşılması gereken bazı konular var ve bunları bu makalede ele alacağız.
- Doğrusal Motorun Çalışması
- Motor Türleri ve Tarihçesi
- Belirginlik
- Stator ve Rotor arasındaki Akı Etkileşimi
Doğrusal Motorun Çalışması
Güç elektroniği mühendisi olarak motorların çalışması hakkında pek bir şey bilmiyordum. Çok sayıda not, kitap ve atıfta bulunulan video okudum. Faraday ve Lorentz Kuvvet Kanunları gibi temel elektro-mekanik enerji dönüşüm kanunlarına tekrar atıfta bulunana kadar bazı motorları ve kontrolünü derinlemesine anlamakta zorlandım. Bu yasaları anlamak için biraz zaman harcayacağız. Bazılarınız bunu zaten biliyor olabilir, ancak onlardan bir kez daha geçmek iyidir. Yeni bir şeyler öğrenebilirsin.
Faraday yasası
Faraday'ın İndüksiyon Yasası, bir tel bobininin akısı ile içinde indüklenen voltaj arasındaki ilişkiyi belirtir.
e (t) = -dφ / dt… (1)
Burada Φ bobin akı temsil eder. Bu, bir motorun elektriksel modelini türetmek için kullanılan temel denklemlerden biridir. Bobin uzayda dağıtılmış bir dizi dönüşten oluşacağından ve bu dönüşlerin her birinden geçen akıyı hesaba katmamız gerektiğinden, bu durum pratik motorlarda gerçekleşmez. Akı bağlantısı (λ) terimi, tüm bobinlere bağlı toplam akıyı temsil eder ve aşağıdaki denklemde verilmiştir.
Φ n , n'inci bobine bağlı akıyı temsil eder ve N dönüş sayısıdır. Bobinin bir seri konfigürasyonda N tek turdan oluştuğu şeklinde tanımlanabilir. Böylece,
λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt
Eksi işareti genellikle Lenz yasasına atfedilir.
Lenz yasası şunu belirtir: Bir tel bobininde, kendisine bağlı akı değişirse bir EMF (elektromotor kuvvet) indüklenir. EMF'nin polaritesi öyledir ki, bir direnç boyunca şönt yerleştirilirse, içinde akan akım, bu EMF'yi indükleyen akıdaki değişime karşı çıkacaktır.
Lenz Yasasını, yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi kağıt düzlemine aşağı doğru işaret eden bir manyetik alana (B̅) yerleştirilmiş bir iletken (çubuk) aracılığıyla anlayalım. Uygulanan bir F kuvveti çubuğu yatay olarak hareket ettirir, ancak çubuk her zaman yatay iletkenlerle temas halindedir. Harici direnç R, akımın akmasına izin vermek için bir şönt olarak kullanılır. Bu nedenle, düzenleme, bir voltaj kaynağı (indüklenen EMF) ve bir direnç ile basit bir elektrik devresi gibi davranır. Bu döngü ile bağlantılı akı, B̅ ile bağlantılı alan arttıkça değişmektedir. Bu, Faraday Yasasına (büyüklük, akının ne kadar hızlı değiştiğine göre belirlenir) ve Lenz Yasasına (indüklenen akımın akı değişikliğine karşı çıkacak şekilde polariteye karar verilir) göre devrede bir EMF'yi indükler.
Sağ El Başparmak Kuralı akıntının yönünü bilmemize yardımcı olacaktır. Parmaklarımızı indüklenen akım yönünde kıvırırsak, başparmak o indüklenen akım tarafından üretilen alanın yönünü verecektir. Bu durumda, B̅ alanı nedeniyle artan akıya karşı çıkmak için, kağıt düzleminin dışında bir alan geliştirmemiz gerekir ve bu nedenle akım saat yönünün tersine akacaktır. Sonuç olarak, terminal A, terminal B'den daha pozitiftir.Yük açısından, artan akı ile pozitif bir EMF geliştirilir ve bu nedenle denklemi şu şekilde yazacağız:
e (t) = d λ / dt
Bu denklemi yük açısından yazarken negatif işareti görmezden geldiğimizi gözlemleyin. (Motorlarla uğraşmaya başladığımızda da benzer bir durum ortaya çıkacaktır). Son elektrik devresi aşağıdaki şekildeki gibi olacaktır. Tartışılan durum bir jeneratör olsa da, işaret kuralını motor açısından kullandık ve aşağıdaki şekilde gösterilen polarite doğrudur. (Motor çalışmasına geçtiğimizde açık hale gelecektir).
Biz edebilirsiniz şöyle uyarılan EMF hesaplamak. 1 dönüşlü bir bobin (bu durumda iletken) aşağıdakilerin bir akı bağlantısını üretecektir:
A döngünün alanını temsil ettiğinde, l iletkenin uzunluğu, v uygulanan kuvvet nedeniyle çubuğun hareket ettiği hızdır.
Yukarıdaki Denklem'e baktığımızda, EMF'nin büyüklüğünün iletkenin hızıyla orantılı ve dış dirençten bağımsız olduğunu söyleyebiliriz. Ancak harici direnç, hızı (ve dolayısıyla akımı) korumak için ne kadar kuvvet gerektiğini belirleyecektir. Bu tartışma Lorentz Yasası biçiminde devam ediyor.
Lorentz Yasası
Önce denklemi kontrol edip sonra anlamaya çalışacağız.
F = q. (E + Vc x B)
Elektromanyetik bir alanda q yüklü bir parçacık v c hızıyla hareket ettiğinde, bir kuvvet yaşadığını belirtir. Bir motorda, elektrik alanı E önemsizdir. Böylece, F = q. Vc. B
Alan, iletkenin uzunluğu boyunca zamanla sabitse ve ona dikse, yukarıdaki denklemleri şu şekilde yazabiliriz:
F = q. dx / dt. B = dq / dt. x. B = il B = B. i. l
Yüke etki eden kuvvetin akımla doğru orantılı olduğunu gösterir.
İlk şekle geri dönersek, uygulanan bir dış kuvvetin bir dirençte akımı indükleyen bir EMF'yi indüklediğini gördük. Tüm enerji dirençte ısı olarak dağıtılır. Enerjinin korunumu yasası tatmin edilmeli ve dolayısıyla şunu elde ederiz:
F. v = e. ben
Bu denklem, mekanik enerjinin elektrik enerjisine nasıl dönüştürüldüğünü temsil eder. Bu düzenlemeye doğrusal jeneratör denir.
Sonunda bir motorun nasıl çalıştığını, yani elektrik enerjisinin mekanik enerjiye nasıl dönüştürüldüğünü kontrol edebiliriz. Aşağıdaki şekilde, harici direnci devrenin topaklanmış bir direnci ile değiştirdik ve şimdi akımı sağlayan harici bir voltaj kaynağı var. Bu durumda Lorentz Yasası ile verilen bir kuvvet (F GELİŞTİRİLMİŞ) gözlemleyeceğiz. Kuvvetin yönü, aşağıda gösterilen Sağ El Kuralı ile belirlenebilir.
Doğrusal motor bu şekilde çalışır. Tüm motorlar bu temel prensiplerden türetilmiştir. Fırçalı DC motor, fırçasız motorlar, PMSM motorlar, Asenkron motorlar, vb.'nin çalışmasını açıklayan birçok ayrıntılı makale ve video var. Bu nedenle, operasyonu açıklayan bir makale daha yapmak mantıklı değil. İşte farklı motor türleri ve çalışmasıyla ilgili bazı iyi eğitim videolarının bağlantısı.
Motorların Tarihi
- Tarihsel olarak, yaygın olarak kullanılan üç tip motor vardı - fırçalı komütatör DC, senkron ve asenkron motorlar. Değişken hız gerektiren birçok uygulama ve DC motorlar yaygın olarak kullanılmıştır. Ancak 1958'de tristörlerin tanıtılması ve transistör teknolojisi sahneyi değiştirdi.
- Verimli bir hız kontrol uygulamasına yardımcı olan invertörler geliştirildi. Transistör cihazları isteğe bağlı olarak açılıp kapatılabilir ve PWM işlemine izin verir. Daha önce geliştirilen temel kontrol şemaları, endüksiyon makineleri için V / f sürücülerdi.
- Buna paralel olarak, kalıcı mıknatıslar, verimliliği artırmak için alan bobinlerini değiştirmeye başladı. Ve invertörün sinüzoidal kalıcı mıknatıslı makinelerle birlikte kullanılması, motorun ömrünü ve güvenilirliğini artırmak için fırçaların ortadan kaldırılmasına izin verdi.
- Bir sonraki büyük adım, bu fırçasız makinelerin kontrolündeydi. İki reaksiyon teorisi (veya dq teorisi) 1900'den önce Fransa'da Andre Blondel tarafından tanıtıldı. Bir makineyi geçici ve sabit durumda doğru bir şekilde modellemeye izin veren karmaşık uzay vektörleriyle birleştirildi. İlk defa, elektriksel ve mekanik büyüklükler birbiriyle ilişkilendirilebilir.
- Asenkron motorlar 1960'a kadar pek fazla değişiklik görmedi. İki Alman - Blaschke ve Hasse, asenkron motorların şu anda ünlü vektör kontrolüne yol açan bazı önemli yenilikler yaptı. Vektör kontrolü, sabit durumdan ziyade endüksiyon motorunun geçici modeliyle ilgilenir. Gerilim genliği / frekans oranını kontrol etmenin yanı sıra, fazı da kontrol eder. Bu, asenkron motorun hız kontrolü ve yüksek dinamikli servo uygulamalarında kullanılmasına yardımcı oldu.
- Sensörsüz algoritma, bu motorların kontrolünde bir sonraki büyük adımdı. Vektör kontrolü (veya Alan Odaklı Kontrol) rotor konumunu bilmeyi gerektirir. Daha önce pahalı pozisyon sensörleri kullanılıyordu. Motor modeline göre rotor konumunu tahmin etme yeteneği, motorların herhangi bir sensör olmadan çalışmasına izin verdi.
- O zamandan beri çok az değişiklik oldu. Motor tasarımı ve kontrolü aşağı yukarı aynı kalır.
Motorlar geçen yüzyıldan beri gelişiyor. Ve elektronik, çeşitli uygulamalarda kullanılmalarına yardımcı oldu. Bu dünyada kullanılan elektriğin çoğu motorlar tarafından tüketiliyor!
Farklı Motor Türleri
Motorlar birçok farklı şekilde sınıflandırılabilir. Bazı sınıflandırmalara bakacağız.
Bu en genel sınıflandırmadır. AC ve DC motorlarla ilgili çok fazla kafa karışıklığı olmuştur ve aralarında bir ayrım yapmak önemlidir. Aşağıdaki kurala bağlı kalalım: 'terminallerinde' bir AC beslemesi gerektiren motorlara AC motor, 'terminallerinde' bir DC beslemeyle çalışabilen motorlara DC motor denir. Motoru çalıştırmak için ne tür elektroniklerin kullanıldığını ortadan kaldırdığı için 'terminallerinde' önemlidir. Örneğin: Fırçasız DC motor aslında doğrudan DC beslemede çalışamaz ve bir elektronik devre gerektirir.
Motor, güç kaynağına ve komütasyona dayalı olarak sınıflandırılabilir - fırçalı veya fırçasız, aşağıda gösterildiği gibi
Yukarıdaki motorların herhangi birinin motor tasarımına derinlemesine girmeme rağmen - Ele almak istediğim iki önemli konu var - Rotor Akısının Stator Akısı ile Belirginliği ve Etkileşimi.
Belirginlik
Tork üretimi ve endüktans gibi makine parametrelerinin yönleri, makinenin manyetik yapısından etkilenir (kalıcı mıknatıslı makinelerde). Ve bu yönün en temel olanı dikkat çekicidir. Belirginlik, rotor konumu ile isteksizlikteki değişimin ölçüsüdür. Bu isteksizlik, rotorun her pozisyonunda sabit kaldığı sürece, makineye çıkık olmayan denir. Rotor pozisyonuyla birlikte isteksizlik değişirse, makine çıkıntılı olarak adlandırılır.
Belirginliği anlamak neden önemlidir? Çünkü çıkıntılı bir motor artık tork üretmek için iki yönteme sahip olabilir. Manyetik torkla (mıknatıslar tarafından üretilen) birlikte isteksizlik torku üretmek için motordaki isteksizlik değişiminden faydalanabiliriz. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, relüktans torkunun eklenmesiyle aynı akım için daha yüksek tork seviyelerine ulaşabiliriz. IPM (Dahili Kalıcı Mıknatıs) motorlarda durum bu olacaktır. (Tamamen isteksizlik etkisi üzerine çalışan motorlar var, ancak bunları burada tartışmayacağız.) Bir sonraki konu, akı bağlantısını ve belirginliği çok daha iyi anlamanıza yardımcı olacak.
(Not: Aşağıdaki şekildeki Açı İlerlemesi, stator akımı ile hava boşluğu akısı arasındaki faz farkını ifade eder.)
Rotor ve Stator arasındaki Akı Etkileşimi
Bir motordaki akı rotordan hava boşluğu boyunca statora gider ve alan döngüsünü tamamlamak için hava boşluğundan tekrar rotora geri döner. Bu yolda, akı farklı isteksizlikler (manyetik direnç) görür. Laminasyonlar (çelik) yüksek μ r (çeliğin göreceli geçirgenliği binler aralığında) nedeniyle çok düşük bir isteksizliğe sahipken, hava boşluğu çok yüksek bir isteksizliğe sahiptir (μ r yaklaşık 1'e eşittir).
Çelik boyunca geliştirilen MMF (manyetomotor kuvvet), hava boşluğuna kıyasla ihmal edilebilir bir isteksizliğe sahip olduğundan çok daha azdır. (Elektrik devresinin bir analogu şöyle olacaktır: Bir voltaj kaynağı (mıknatıs) bir direnç üzerinden akımı (akı) sürer (hava boşluğu relüktansı) Dirence bağlı iletkenler (çelik) çok düşük dirence sahiptir ve voltaj düşüşünü göz ardı edebiliriz (MMF düşüşü) üzerinden). Böylece, stator ve rotor çeliğinin yapısı ihmal edilebilir bir etkiye sahiptir ve tüm MMF, etkin hava boşluğu isteksizliği boyunca geliştirilir (akı yolundaki herhangi bir demir içermeyen malzemenin, hava boşluğuna eşit bir nispi geçirgenliğe sahip olduğu kabul edilir). Hava boşluğu uzunluğu rotor çapına kıyasla ihmal edilebilir düzeydedir ve rotordan gelen akının statora dik olduğu güvenle kabul edilebilir.Yarıklar ve dişler nedeniyle saçaklanma etkileri ve diğer doğrusal olmayan durumlar vardır, ancak bunlar genellikle makinenin modellenmesinde göz ardı edilir. (Makineyi tasarlarken bunları görmezden gelemezsiniz). Ancak hava boşluğundaki akı sadece rotor akısı (kalıcı mıknatıslı makine durumunda mıknatıslar) tarafından verilmemektedir. Stator bobinindeki akım da akıya katkıda bulunur. Motora etki eden torku belirleyecek olan bu 2 akının etkileşimidir. Ve bunu tanımlayan terime etkili hava boşluğu akı bağlantısı denir. Fikir matematiğe girmek ve denklemleri türetmek değil, iki noktayı ortadan kaldırmaktır:Ancak hava boşluğundaki akı sadece rotor akısı (kalıcı mıknatıslı makine durumunda mıknatıslar) tarafından verilmemektedir. Stator bobinindeki akım da akıya katkıda bulunur. Motora etki eden torku belirleyecek olan bu 2 akının etkileşimidir. Ve bunu tanımlayan terime etkili hava boşluğu akı bağlantısı denir. Fikir matematiğe girmek ve denklemleri türetmek değil, iki noktayı ortadan kaldırmaktır:Ancak hava boşluğundaki akı sadece rotor akısı (kalıcı mıknatıslı makine durumunda mıknatıslar) tarafından verilmemektedir. Stator bobinindeki akım da akıya katkıda bulunur. Motora etki eden torku belirleyecek olan bu 2 akının etkileşimidir. Ve bunu tanımlayan terime etkili hava boşluğu akı bağlantısı denir. Fikir matematiğe girmek ve denklemleri türetmek değil, iki noktayı ortadan kaldırmaktır:
- Tüm MMF boyunca geliştiği için sadece hava boşluğundaki akı ile ilgileniyoruz.
- Hava boşluğundaki etkili akı bağlantısı, hem stator akımına hem de rotor akısına (mıknatıslar) bağlıdır ve aralarındaki etkileşim tork üretir.
Yukarıdaki şekil, farklı motor türlerinin rotorunu ve statorunu göstermektedir. Hangilerinin göze çarptığını ve hangilerinin olmadığını öğrenmek ilginç olurdu?
Not: Bu motorların her birinde iki eksen işaretlenmiştir - D ve Q. (Q Ekseni manyetik eksendir ve D ekseni elektriksel olarak ona diktir). İlerideki makalelerde D ve Q eksenine geri döneceğiz. Yukarıdaki soru için önemli değil.
Cevap:
A, B, C - göze çarpmayan, D, E, F, G, H - çıkıntılı (mıknatıslar farklı rotor konumlarında isteksizliği etkiler, aşağıdaki şekle bakınız, J, K- hem rotor hem de stator belirgin değildir.
Bu yazıyı bu noktada bitireceğiz. Çok daha fazla matematik ve makine modellemesi tartışılabilirdi ama burada çok karmaşık hale gelirdi. Bir motorun kontrolünü anlamak için gereken konuların çoğunu ele aldık. Sonraki makale serisi, doğrudan Alan Odaklı Kontrol (FOC), Uzay Vektör Modülasyonu (SVM), Akı Zayıflatma ve denetleyiciyi tasarlamaya başladığınızda takılıp kalabileceğiniz tüm pratik donanım ve yazılım yönlerine aktarılacaktır.