Схеми и модули за управление на променливотокови електродвигатели

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2009

Стефан Куцаров

 

   В много практически случаи електродвигателите (ЕДГ) работят с променлив товар, което означава непрекъснато изменение на доставяната му от тях мощност. Същевременно при неизменна честота на въртене, консумираната от захранващия ги източник мощност е приблизително една и съща. Разликата между нея и тази товара определя енергийните загуби в ЕДГ, които го загряват и нарастват при малък товар и при периодично изключване. Оптимално решение на този проблем е скоростта на въртене да се променя право пропорционално на доставяната мощност на товара. Също така многобройни са случаите, когато естеството на работа на дадена машина изисква промяна на скоростта на ЕДГ. Тези две основни причини определят необходимостта от промяна на скоростта на въртене, до която най-често се свежда управлението на променливотоковите ЕДГ. Други използвани функции са смяната на посоката на въртене (реверс) на някои видове ЕДГ, както и промяната на въртящия момент. В статията се разглеждат най-често използваните цифрови методи за управление на основните видове променливотокови ЕДГ и техническите средства за реализацията им.

Еднофазни индукционни електродвигатели
Те са първата разновидност на индукционните ЕДГ (Alternative Current Induction Motor) ACIM, които са най-масово използваните в индустрията и бита поради своята простота, ниска цена, здрава и непретенциозна (заради липсата на колектор) конструкция. Статорът на еднофазните ЕДГ съдържа две разположени една срещу друга намотки, действащи като електромагнит. Роторът е рамка от стоманени пластини, разположени по протежение на оста му. Между пластините са поставени медни или алуминиеви проводници, свързани в двата си края с алуминиеви пръстени и представляващи неговата намотка. Това определя наименованието ЕДГ със свързана накъсо намотка. При подаване на синусоидално напрежение на статора, той създава въртящо се електромагнитно поле, което индуцира напрежение в намотката на ротора и през нея протича ток. От взаимодействието му с полето се получава механична сила, която би трябвало да завърти ротора, т.е. електромагнитното поле да го увлече със себе си. Когато роторът е неподвижен, това не може да стане и се налагат допълнителни мерки за развъртане. В зависимост от тях има 5 вида еднофазни ACIM.
Първият вид (Permanent Split Capacitor ACIM, PSC ACIM) има допълнителна стартова намотка SL (фиг. 1а), свързана към основната L през кондензатор. Намотката SL е с много по-голямо съпротивление от L и през нея протича по-малък ток. Тя създава електромагнитно поле, което поради кондензатора изпреварва достатъчно това на основната намотка и гарантира първоначалното завъртане на ротора. Ако полето на стартовата намотка закъснява спрямо това на основната, завъртането е в обратна посока. Когато скоростта на въртене достигне около 75% от тази в установен режим, основната намотка може сама да осигурява нормалната работа. Полето се върти с NS = 120f/p об/мин (f е честотата на захранващото напрежение и р е броят на полюсите), което е синхронната скорост на ЕДГ, практически равна на тази на ротора при празен ход. При наличие на товар роторът се върти с основната скорост NB, която е с няколко процента по-малка от NS. Съществена особеност е, че токът през ротора и съответно въртящият момент са право пропорционални на NS – NB. Това е и предимство, тъй като спомага за подържането на постоянна скорост на въртене – при увеличаване на товара започва да намалява NB, което води до нарастване на NS – NB, въртящия момент и съответно NB. Други предимства са възможността за осигуряване на оптимален к.п.д. при номинален товар и сигурната работа.
Вторият вид са ЕДГ със стартова намотка SL и центробежен изключвател (Split Phase ACIM) – фиг. 1б. Принципът на стартиране е същият, но допълнителната фазова разлика между двете електромагнитни полета се получава поради вида на SL – тя е от тънък проводник и съответно с голямо съпротивление. При достигане на определени обороти SW се отваря и ЕДГ продължава да работи само с основната си намотка. За NS и NB е в сила същото, както при предния вид.
Третият вид е комбинация от първите два (към SL са свързани последователно С и SW) с наименование Capacitor Start ACIM и ограничено приложение. Четвъртият е с видоизменени полюси на статора (Shaded Pole ACIM), върху част от които има дадени накъсо намотки, създаващи електромагнитно поле, дефазирано спрямо това на основната намотка и осигуряващо стартирането на ЕДГ. Предимства са изгодното серийно производство и ниската цена (по-евтино е да се заменят, отколкото да се ремонтират), а недостатъци – к.п.д. под 20% и разликата до 10% между NS и NB.
Последният вид са ЕДГ със стартов и постоянно свързан кондензатор (Capacitor Start/Capacitor Run ACIM), в които успоредно на С в схемата на фиг. 1а са прибавени последователно свързани кондензатор и центробежен изключвател. Предимствата са големият въртящ момент и съответно мощности между 700 W и 7 kW и големият к.п.д., а недостатък е по-високата цена.
Скоростта на въртене на еднофазните ЕДГ може да се регулира чрез изменение на честотата на захранващото напрежение, като най-често се използват PSC ACIM. Принципът на управлението се изяснява чрез блоковата схема на фиг. 2а. Диодният мост и кондензаторът представляват токоизправител, чието напрежение постъпва на преобразувателя на постоянно в променливо напрежение INV. Блокът за управление Control се реализира чрез подходящо програмиран микроконтролер или DSC, който чрез правоъгълни PWM импулси синтезира триъгълни напрежения. Чрез INV те се преобразуват в също такива напрежения на изходите му а, b и с, но с достатъчно голяма амплитуда. Поради значителната индуктивност на намотките L и SL на ЕДГ се получава синусоидален ток през тях, чиято големина също се определя от INV. По програмен път се осигурява токът през SL да изпреварва или закъснява на 90° спрямо този през L, което означава въртене на ротора по или обратно на часовниковата стрелка. Към това предимство се прибавя и липсата на кондензатора от фиг. 1а, а скоростта на въртене се променя чрез честотата на PWM импулсите.
Практическа схема, отразяваща препоръчвания начин за реализация, е дадена на фиг. 2б. Тя използва микроконтролера PIC16F72 на Microchip, а INV е реализиран с 6 IGBT, и съответния драйвер за тях. Възможно е използването на 4 IGBT (Н-мост),но различните токове на двете намотки, всеки от които протича през две от рамената на моста скъсяват експлоатационния срок на транзисторите.

Универсални ЕДГ
(Universal Motor, UM)
Това са масово разпространени индукционни ЕДГ, които могат да се захранват с еднофазно променливо и с постоянно напрежение. Подобно на постояннотоковите колекторни електродвигатели роторът им представлява намотка, свързвана чрез четки към външно напрежение. Най-често се използват серийните UM (AC Series Motor) с последователно свързани към захранващото напрежение намотки на статора и ротора, чиито скорост на въртене и мощност са право пропорционални на захранващото напрежение. Към това предимство, което обуславя сравнително просто управление, се прибавя доброто отношение тегло/мощност. Недостатъци на UM са сложната конструкция, понижената надеждност, генерираните смущения (заради колектора) и ниският к.п.д.
В съответствие с принципа на действие на UM намаляването на захранващото напрежение води до едновременно и пропорционално понижаване на скоростта на въртене и мощността им. Два са начините за промяна на захранващото напрежение. Първият е известен като фазово управление (Phase Angle Control) и принципът му е изяснен на фиг. 3а – само част от всеки полупериод на мрежовото напрежение се подава на UM, поради което средноквадратичната стойност на неговото напрежение е обратно пропорционална на времето td. Следователно чрез промяна на td може да се регулира скоростта на въртене. Обикновено вместо това време се използва ъгълът на отпушване, по време на които на UM се подава мрежовото напрежение и чиято връзка с td при мрежова честота 50 Hz е q = 180°(1-0,1 td[ms]). Класическият аналогов начин за фазово управление е последователно свързване на UM и симетричен тиристор (triac) към мрежата и регулиране на q чрез потенциометър и кондензатор, свързани към гейта му. Поради многобройните недостатъци на това управление все по-често се използват микроконтролери за задаване на q (обобщената схема на фиг. 3б). Напълно достатъчно е микроконтролерът uC да е 8-разреден, което осигурява 256 стойности на скоростта на въртене. Освен това по програмен път могат да се осигурят различни закони на промяна на скоростта, да се контролира токът на UM (чрез резистора Rs) и неговите обороти чрез тахометър, чийто изходен сигнал се подава на uC (не е показано на фиг. 3б). Съществуват симетрични тиристори, специално разработени за управление на ЕДГ, с малък ток на гейта, който може да се осигури непосредствено от uC. Пример са сериите МАС4 и МАС8-МАС16 на Freescale, някои от които не изискват RC група за работа с индуктивни товари (Snubberless Triac). Същата фирма предлага микроконтролерите MC68HC05JJ6 с и допълнителна възможност за регулиране на q чрез постоянно напрежение между 0 и 3,5 V (напр. получавано от потенциометър) на специален вход. За този тип управление STM произвежда симетричните тиристори ВТВ16-600CW и ВТВ12-600W и микроконтролерите ST6210 и ST200С. Освен регулирането на скоростта чрез потенциометър последният позволява и независимо включване и изключване на UM чрез замасяване на специален извод и чрез свързване на сензор за докосване към друг извод. За същото управление са подходящи и сериите микроконтролери 78K0 и 78K0S на NEC.
Съществуват и специализирани ИС на контролери за фазово управление, осигуряващи няколко фиксирани стойности на скоростта на въртене. Един от примерите е LS7317 на LSI Computer Systems за 5 скорости между 40 и 99% от максималната (получавана при непосредствено свързване на UM към мрежата), всяка от които се получава чрез подаване на постоянно напрежение (например чрез бутон) на съответен вход на ИС. Специфичен е и контролерът TDA1085С на ON Semi, който има възможност чрез тахогенератор да следи оборотите на UM и да осигурява плавната им промяна между две фиксирани  стойности.
Сравнително по-рядко се използва свързването на UM по схемата на фиг. 3в, в която благодарение на диодите през него протича пулсиращ ток в посока от точка “а” към точка “b”. Добавената индуктивност ограничава скоростта на нарастване на тока (di/dt) на тиристора в допустимите граници. Управлението е аналогично на това на фиг. 3б.
Значително по-малкият пад на напрежение върху един IGBT в сравнение с тиристор е причината за съществуването на схемата на фиг. 3г. Чрез диодния мост тя осигурява протичане на ток в една посока през последователно свързаните UM и IGBT. Основната разлика в управлението е, че uC трябва да осигурява постоянно напрежение на гейта на IGBT през цялото времена отпушването му, а не импулс както при тиристорите. Това напрежение се нулира в края на всеки полупериод на мрежовото напрежение, който се следи от uC чрез резистивен делител.
За намаляване на електромагнитните смущения и акустичния шум на UM, дължащи се на фазовото управление, може да се използва методът за управление чрез накъсване (Chopper Drive Control). Мрежовото напрежение се накъсва чрез PWM импулси с честота 10-20 kHz и така се подава на UM. Реално това означава работа на UM със синусоидално напрежение dU, където d е коефициентът на запълване на импулсите и U е ефективната стойност на мрежовото напрежение. Очевидно регулирането на скоростта на въртене се постига чрез промяна на d. Блоковата схема на такова управление е дадена на фиг. 4а, като SB и SD са двупосочни ключове по схемата на фиг. 4б. Те позволяват протичането на променлив ток между точки “а” и “b” при отпушен IGBT (или мощен MOS транзистор) и прекъсване на веригата при запушването му. Блокът Control обикновено е uC, който чрез отваряне и затваряне на основния ключ SB осигурява накъсването на напрежението. При прекъсване на веригата чрез SB трябва да се затвори допълнителният ключ SD, върху който чрез протичане на ток да се отдели реактивната енергия в UM. Препоръчва се използването на схемата за UM с мощност между 50 W и 2 kW и честота на въртене до 20 000 об/мин.

Трифазни индукционни ЕДГ (3-Phase ACIM)
Те са най-масово разпространените ЕДГ, като около 90% от тях са с дадени накъсо намотки на ротора (както PSC ACIM). Другият вид са с 3 намотки на ротора, до които има външен достъп чрез колектор (Wound-Rotor Motor). Тъй като въртящият момент е право пропорционален на скоростта на въртене и съпротивлението на намотките на ротора, за осигуряване на големи негови стойности при стартиране към намотките външно се свързват резистори, които се изключват при достигане на определена скорост. Това свойство е полезно за бързо задвижване на товари с голяма маса, но за сметка на наличието на колектор. И двата вида имат статор с 3 двойки полюси, разположени на ъгъл 120° и свързвани в триъгълник или звезда. Принципът на действие е както на еднофазните ACIM, т.е. трифазните индукционни ЕДГ също са асинхронни. Те стартират, без да има нужда от допълнителна намотка или други елементи, и имат по-голям стартов въртящ момент и к.п.д. (около 60% при малка скорост на въртене до 92% при големи скорости) от еднофазните ACIM, към които  предимства се прибавя надеждната работа дори при големи скорости на въртене. Мощността им е от стотина W до десетина kW. Много вероятно е те да се утвърдят като ЕДГ за хибридни и електрически автомобили. Скоростта им на въртене зависи от честотата на захранващото ги напрежение и броя на полюсите на всяка фаза по същия начин, както еднофазните ACIM.
За по-подробно изясняване на действието и на особеностите на управлението е необходимо познаване на зависимостите на тока и въртящия им момент от скоростта на въртене (фиг. 5). На фигурата с прекъсната линия са дадени номиналните стойности на тока и въртящия момент, получавани при основната скорост на въртене NB. Токът при стартиране на ЕДГ е около 7 пъти по-голям от номиналния и реално започва да намалява при скорост на въртене около 0,8NB. Това трябва да се има предвид при избор на мощните транзистори или модули за управление, които трябва да го издържат. Въртящият момент при стартиране също е по-голям от номиналния, но с около 50%, при скорост около 0,8NB достига максималната си стойност (около 2,5 пъти по-голям от номиналния) и едва след това намалява. Двете характеристики показват, че при промяна на скоростта на въртене нежелано и значително се изменя и въртящият момент, което налага специфични методи за управление. Независимо от това за голяма част от приложенията трифазните ACIM са най-добрият избор за регулиране на скоростта на въртене.
Въртящият момент при скорост NB е право пропорционален на захранващото напрежение U и обратно пропорционален на неговата честота. Следователно при управление на скоростта само чрез промяна на честотата ще се изменя  и въртящият момент. За избягване на това едновременно се променя и U, като отношението U/f и съответно въртящият момент се запазват неизменни. Това е методът променливо напрежение-променлива честота (Variable Voltage Variable Frequency), по-често наричан V/f управление (V/f Control) или скаларно управление (Scalar Control). Реално V/f = const може да се подържа само между определена минимална скорост на въртене (обикновено 0,1NB-0,3NB) и NB. При по-малка скорост не може да се гарантира стабилната работа на ЕДГ. Същевременно NB съответства номиналното напрежение на ЕДГ, което не може да бъде надхвърляно, поради което при скорости над NB отношението V/f и въртящият момент намаляват.
Блоковата схема на V/f управление е дадена на фиг. 6. Мрежовото напрежение се изправя и захранва трифазния инвертор, за всяка двойка IGBT на който има отделен драйвер. Управлението се осигурява чрез подходящо програмиране на микроконтролера, който чрез PWM синтезира три синусоидални напрежения с фазова разлика 120°. За регулиране едновременно се променя честотата на импулсите и техния коефициент на запълване.
Чрез тахометъра Т (не е задължителен) се следи честотата на въртене, за да може uC да я подържа неизменна. Също не е задължителен резисторът (с евентуален усилвател) за следене на тока на ЕДГ. Схемата е за захранване на сравнително маломощни трифазни ACIM от еднофазна мрежа. За свързване на мощни ЕДГ към трифазна мрежа трябва токоизправителят да се замени с трифазен. Микроконтролерите обикновено са универсални, напр. PIC1672F, PIC16F7X7, PIC18F2431 и PIC18F4431 на Microchip, ST7MC и серията ST10 (с вграден CAN) на STMicroelectronics, МС3РНАС на Freescale, AT90PWM3 на Atmel, серията М32С/80 на Renesas, LM3S818 на Luminary Micro и др.
Съществува подобрена разновидност с наименование модулация на пространствения вектор (Space Vector Modulation, Space Vector PWM), която осигурява около 15% по-голяма амплитуда на синтезираното синусоидално напрежение и по-малки загуби в инвертора. Подробно описание на тази разновидност е дадено в AN955 на Microchip.
Все по-масовото използване на програмируемите логически матрици FPGA не отминава и управлението на трифазни ACIM. Подобно решение е описано например в документа ХАРР900 на Xilinx.
По своята същност V/f управлението е без обратна връзка и основните му предимства са простотата на програмното осигуряване, бързото му реализиране и малкия брой операции за изпълнение му (необходим е сравнително прост uC). Най-същественият недостатък е мудното реагиране при бързи смени на товара, което е свързано с краткотрайно и значително намаляване на скоростта на въртене, получаването на голяма разлика NS-NB и съответно голям ток на статора. Приложенията на V/F управлението са основно в случаите, когато не е необходимо много точно поддържане на скоростта, например при вентилатори и помпи. За избягване на този недостатък трябва да се използва управление с обратна връзка, което да контролира въртящия момент и магнитния поток на статора. Това е векторното управление (Vector Control), популярно като Field Oriented Control (FOC).
Информация за магнитния поток при FOC се получава от векторите на токовете на статора, т.е. големината и фазата им, а за магнитния поток – от векторите на токовете на ротора. Последните не могат да бъдат измерени непосредствено, но е възможно да бъдат изчислени с помощта на подходящи преобразувания. Тяхната сложност и необходимостта да бъдат извършвани бързо (обикновено за около 50 us) налага използването на DSC. Два са начините за определяне на токовете на статора. При безсензорното FOC (Sensorless FOC) за целта се използва обратната е.д.с. (BEMF), коeто опростява техническата част на управлението повишава надеждността. Реализацията на това управление се изяснява чрез фиг. 7.
С 1 и 2 са означени съответно ACIM и трифазния инвертор за захранването му, аналогичен на този при V/F управлението. Останалата част на схемата се реализира по програмен път чрез DCS. Най-напред токовете IB и IC на статора са подават на блок 3, където се изчислява IC = -(IA + IB) и чрез правото преобразуване на Clarke трите тока се преобразуват в два (Ia и Ib). Те се използват от блок 5 за формиране на двата му изхода на данни, съответстващи на положението на ротора и скоростта му на въртене. Следва преобразуването в долния блок 4, от което се получават токовете Iq и Id, първият от които съответства на магнитния поток, а втория – на въртящия момент. Чрез ПИД контролерите PI, трите суматора и блок 7 се формират напреженията Vq и Vd, представляващи необходимите данни за промяна на скоростта и въртящия момент. От фиг. 7 се вижда, че на суматора най-горе вляво се подава число (това е входът на DSC) за желаната скорост на въртене. В горния блок 4 се извършва обратното преобразуване на Clarke и неговите напрежения Va и Vb чрез блок 8 формират реалните напрежения за промяна на скоростта на въртене чрез блок 2. Последната може да се подържа с точност ±0,05%, а въртящият момент – с ±5%. Подробности на този FOC са дадени в AN1162 и AN1206 на Microchip. Съкращението SVM на блок 8 е от Space Vector Modulation, която е специфичен вид PWM за създаване на синусоидални напрежения, осигуряваща с 15% по-голяма амплитуда на тези напрежения и по-голям въртящ момент при високи скорости на въртене.
Втората разновидност е сензорното FOC (Sensored FOC), при което токовете на стартера се измерват чрез сензори на Хол, а в схемата на фиг. 7 се прибавя още един блок.Подробности за метода са дадени в AN908 на Microchip и BPRA043 на Texas Instruments, а за реализацията му се препоръчват dsPIC30F2010 на Microchip, серията TMS320C240 и TMS320LF2407A на TI и серията STM32F10x на STMicroelectronics. Точността на подържане на скоростта на въртене с този методи достига ±0,001%, а на въртящия момент - ±2%.
Използването на DSC в двете разновидности има още едно предимство – едновременно с управлението те могат да изпълняват и програма за корекция на фактора на мощност на ЕДГ.
Модерен метод, разработен от АВВ, е непосредственото управление на въртящия момент (Direct Torque Control) DTC. Той е без обратна връзка и като входни величини се задават скоростта на въртене и въртящият момент. Времето за установяване на новозададен въртящ момент е 1-2 ms, докато при най-добрите реализации на FOC е не по-малък от 10 ms. Освен това въртящият момент се подържа с точност, по-добра от ±2% при недостижими за другите методи малки скорости на въртене (под 30 об/мин). Точността на подържане на скоростта също е много добра, например ±0,1% при ACIM с мощност 110 kW. И накрая, DTC е стъпка към създаването та универсално управление, тъй като може да се използва за променливотокови, постояннотокови и серво ЕДГ.
Трифазните инвертори за осигуряване на необходимото напрежение и ток (блок IGBT/diode на фиг. 6 и 3-Phase Bridge на фиг. 7) обикновено се реализират чрез IGBT.

Синхронни ЕДГ с постоянен магнит (Permanent Magnet Synchronous Motor) PMSM
Статорът на най-често използваните трифазни PMSM съдържа 3 двойки срещуположни полюси с намотки, а роторът е постоянен магнит с 2 до 5 двойки полюси. Увеличаването на броя на полюсите води до по-голям въртящ момент при даден ток на статора, но независимо от това с най-голямо приложение са PMSM с една двойка полюси (фиг. 8), заради простата конструкция и управление. Прилагането на трифазно синусоидално напрежение на намотките създава въртящо се магнитно поле, което трябва да е на 90° спрямо това на ротора, за да се получи максимален въртящ момент. Спазването на това условие налага използването на електронно управление. Електромагнитното поле на статора увлича ротора, чиято скорост на въртене е точно равна на тази на полето, което определя PMSM като синхронни ЕДГ. Конструкцията и действието им са почти същите, както при безколекторните постояннотокови ЕДГ (BLDC). Разликата е в намотките на статора, които при BLDC трябва да работят с трапецовидно напрежение. При използването за ротор на сплави с голяма магнитна индукция размерите му и тези на PMSM намаляват. Други предимства на PMSM са големият к.п.д., липсата на колектор и съответно малки електромагнитни смущения, малките отскоци на тока на статора и тихата работа. Основните недостатъци са сравнително голямата разсейвана мощност в захранващия блок, сравнително сложното управление и по-високата цена в сравнение с BLDC. Захранваните от мрежата PMSM са с мощност между няколко десетки W и няколко kW и имат скорост на въртене до 20 000 об/мин.
Управлението се извършва по схема, аналогична на фиг. 6, като при мощни PMSM мостът е трифазен, а при сравнително маломощни PMSM инверторът се реализира с MOS транзистори с подходящи драйвери. Схемата на инвертора е дадената на фиг. 8, като тя може да се използва и за PMSM със статорни намотки в свързване “звезда”. Аналогично на трифазните ACIM може да се използва сензорен и безсензорен контрол на положението на ротора. Първият се реализира чрез сензори на Хол, което се вижда от типичната схема за управление на фиг. 9. В основата й е DSC от серията dsPIC30F2010 на Microchip и синтезирането на синусоидалните напрежения на статора се извършва чрез специфична Motor Control PWM, чиито импулси се получават на 6-те изхода PWMxx. Задаването на желана стойност на честотата на въртене се прави чрез постоянно напрежение от потенциометъра R14, подавано на вход AN2, докато чрез R26 (съпротивление 0,1 W) се формира напрежението на вход AN1 за следене на тока на PMSM. За пускане и спиране на PMSM е предназначен ключът S2, а трите сензора на Хол са свързани към съответните входове на DSC през резисторни делители.
За безсензорно управление се прилага FOC, като могат да се използват DSC - dsPIC30F, STM32F103xx, специализираните TMS320C240 на TI, и сериите 56F80x и 56F8300 на Freescale и др. За използването на PMSM в сервозадвижвания е предназначен набор от интегрални схеми на Analog Devices – процесорите ADSP-2105, ADMC200 и ADMC201 заедно с преобразувателите на скорост на въртене в цифров сигнал AD2880 и AD2890.

ЕДГ с променливо магнитно съпротивление (Switched Reluctance Motor) SRM
Това са ЕДГ с най-проста конструкция, чийто статор е с m полюса с намотка на всеки, а роторът представлява метален цилиндър с n полюса. Възприети са наименованията m/n SRM и 0,5m-фазен SRM. Съществува значително разнообразие в стойностите на m и n, но и двете са четни и винаги m>n. Увеличаването им създава по-голям въртящ момент с по-малки нежелани пулсации, но конструкцията на SRM и управлението му се усложняват. Най-често използваният компромис е 6/4 SRM, който е трифазен със структура на фиг. 10. При показаното положение на ротора трябва да се подаде напрежение на фаза С за завъртането му по посока на часовниковата стрелка и на фаза В за завъртане в обратна посока. Така активираните два срещуположни полюса на статора привличат тези на ротора и той започва да се върти. Полюсите на ротора и статора започват да се припокриват, магнитното съпротивление между тях намалява, а индуктивността на намотките С нараства. Съпротивлението става минимално, а индуктивността – максимална, когато двата полюса са точно един срещу друг (на фиг. 10 за намотки А). Сега напрежението на С се изключва и се подава такова на друга фаза, за да продължи въртенето. Това кратко обяснение показва, че управлението се извършва чрез постоянно напрежение, което трябва да се подава за точно определени интервали от време само на една намотка в зависимост от положението на ротора. Следователно последното трябва да се следи, което се прави чрез сензори (Sensored Control) или без такива (Sensorles Control) чрез измерване на напрежението и тока на фазите. Скоростта на въртене е право пропорционална на въртящия момент, който от своя страна зависи от големината на подаваното напрежение. Най-често то е серия от PWM импулси с фиксирана честота и регулируем коефициент на запълване – увеличаването му означава нарастване на напрежението, въртящия момент и скоростта.
Предимства на SRM освен простата, евтина и надеждна конструкция са големият начален въртящ момент и възможността за получаване на скорости до 60 000 об/мин. Недостатък са необходимостта от следене на положението на ротора, пулсациите на въртящия момент и акустичният шум. Мощностите на тези ЕДГ са между няколко десетки W и няколко десетки kW, а основните приложения са за високооборотни ЕДГ (при тях пулсациите на въртящия момент са малки).
Блоковата схема за управление на SRM е подобна на дадената на фиг. 6, но вместо инвертор се използва многофазен ключ. Най-масово използваната негова схема е с два IGBT и два предпазни диода за всяка фаза. Важни особености са, че всяка от фазите се управлява поотделно и че ключовете имат два общи драйвера – един за горните транзистори (High Side Driver) и един за долните (Low Side Drive). Именно чрез коефициента на запълване на горните транзистори се задава желаната скорост на въртене.
Сравнително по-рядко се използват двуфазни SRM, чийто ключ е с 4 IGBT и има същия принцип на действие. За тях Fairchild Semiconductor произвежда модулите (ключ + драйвери) FCAS20DN60bb и FCAS30DN60BB с максимален изходен ток съответно 20 и 30 А.
Алгоритъмът за управление може да се реализира с uC или DSC. Подходящи са сериите 56F80x, 56F8100 и 56F8300 на Freescale, сериите dsPIC30F и dsPIC33F на Microchip, процесорът TMS320F240 на TI, серията mPD78K0/KC2 на NEC (за четирифазни SRM с напрежение 42 V) и серията ST7HC на STMicroelectronics.




Top