MODELUL DINAMIC AL MOTORULUI DE CURENT CONTINUU FARA PERII

Introducere

Moroatele de curent continuu fara perii au fost devoltate pornind de la motoare conventionale cu perii de curent continuu utilizandu-se materiale semiconductoare. Motoarele de curent continuu fara perii sunt foarte asemanatoare cu motoarele asincrone de curent alternativ. Diferenta majora este acea ca motoarele asincrone dezvolta o forma sinusoidala pentru tensiunea electromotoare, in timp ce motoarele de c.c. fara perii dezvolta o forma dreptunghiulara sau trapezoidala. Ambele au structura bazata pe un stator creator de camp magnetic invartitor care la randul sau produce cuplu printr-un rotor magnetic.

Motoarele sincrone sunt de obcei de putere mare, de ordinul kilowatilor, cu rotor electromagnet. In cazul adevaratelor motoare asincrone se considera ca acestea nu pot lua decat o singura viteza, aceasta reprezentand un submultiplu al frecventei tensiunii de alimentare. Motarele de curent continuu fara perii sunt de puteri mici, de ordinul watilor pana la cateva zeci de wati, cu rotoare magneti permanenti. Viteza unui motor contiuu fara perii nu poate fi marita decat prin intermediul unei bucle de reglare si a une frecvente de referinta.

Exista doua modele de motoare de curent continuu fara perii: cilindru sau stratificat.

Modelul cilindric poate lua doua forme asa cum indica si figura de mai sus. Cel mai utilizat model este cel cilindric cu rotorul iterior. Acest motor este folosit la construirea hard-discurilor. De asemenea esto posibila pozitionarea rotorului in afara, in jurul statorului. Acestea sunt utilizate la construirea ventilatoarelor. In ambele cazuri fluxul magnetic este radial pe axul de roatatie.

Motoare stratificate de cuplu mare pot avea infasurari statorice pe ambele parti ale rotorului (figura 2 (b)). Motoarele de cuplu mic, cum ar fii motoarele floppy disck-urilor, au infasurarile statorului pe o singura parte a rotorului (figura 2 (a)). Directia fluxului magnetic este axiala, paralela cu axa de rotatie.

Functia de comutare poate fi realizata de diferiti senzori de pozitie cum ar fii: encoder optic, encoder magnetic, sau senzori magnetici cu efect Hall. Motoarele mici si ieftine utilizeaza senzorii cu efect Hall (figura 3).

Un senzor cu efect Hall este un dispozitiv semiconductor in care cursul electronilor este afectat de un camp magnetic penpendicular pe directia curentului. Este asemanator cu o retea de 4 rezistori variabili. Tensiunile celor doua iesiri sunt complementare. Aplicarea pe senzor a unui camp magnetic are ca efect aparitia unei modificari a tensiunii la iesire. Iesirea Hall poate comanda un comparator astfel incat acesta sa furnizeze o comanda cat mai stabila unui dispozitiv de putere. Senzorii Hall moderni pot contine un amplificator integrat si circuite digitale. In cazul motorului de curent continuu fara perii stratificat, senzorul trebuie plasat aproape de rotorul magnet permanent pentru a-i putea sesiza pozitia.

In figura 4 este reprezentat un motor cilindric simplu cu cate un senzor cu efect Hall pentru fiecare faza a statorului. Pozitia schimbatoare a rotorului magnet permanent este sesizata de senzorul Hall pe masura ce polaritatea rotorului se schimba. Acest semnal Hall este amplificat astfel incat infasurarile statorului sa fie strabatute de curentul corespunzator. Semnalele Hall pot fi prelucrate si de logica combinationala in scopul obtinerii unor forme de unda adecvate de comanda.

Motorul de mai sus ar putea conduce un hard-disc daca ar fi echipat cu o bucla pe fiecare faza pentru a mentine viteza constanta. Un circuit similar ar putea comanda si motorul stratificat pentru un floppy-disc (figura 4), de asemenea in prezenta unei bucle de comanda a vitezei constante.

Motorul trifazat stratificat (figura 4) are 6 poli statorici si 8 poli pe rotor. Rotorul este un inel subtire de ferita magnetizat cu opt poli alternanti magnetizati axial. In figura nu este ilustrat faptul ca rotorul este acoperit cu un strat fin de otel pentru montarea in legatura din mijlocul statorului. Stratul de otel are si rolul completarii circuitului magnetic. Poli statorici sunt plasati, de asemenea, deasupra stratului de otel, ajutand la inchiderea circuitului magnetic. Infasurarile subtiri ale statorului sunt trapezoidale pentru a aproxima polii rotorici. Cele 6 infasurari statorice cuprind cele trei infasuari corespunzatoare fazelor.

Daca cele trei faze statorice au fost alimentate cu succes, un camp magnetic rotitor va fi generat. Rotorul magnet permanent va functiona ca in cazul unui motor sincron.

Un rotor cu doi poli va urmari acest camp la viteza de rotatie a campului. Totusi, rotorul cu 8 poli se va roti la o viteza egala cu un submltiplu al acestei viteze, datorita extrapolilor pe care ii poseda.

Motorul de curent continuu fara perii este in principal construit ca un magnet permanent rotativ fata de o infasurare parcursa de curent. In aceasta privinta el este echivalent cu un motor de curent continuu inversat, in care magnetul se roteste in timp ce conductoarele raman fixe.

In ambele cazuri, curentul prin conductoare trebuie sa-si reverseze polaritatea de fiecare data cand un pol magnetic trece pe langa conductoare, pentru a asigura unidirectionalitatea cuplului.

In motoarele de curent continuu clasice, cu colector, reversarea polaritatii este realizata de catre ansamblul colector-perii. La acestea, deoarece colectorul este fixat pe rotor, momentele de comutatie sunt sincronizate automat cu polartatea alternanta a campului magnetic prin care trec conductoarele. In motorul de curent de continuu fara perii reversarea polaritatii curentului este realizata cu tranzistoare de putere care trebuie comutate in sincronism cu pozitia rotorului.

Fig. 5 Sectiunea transversala a unui motor de curtent continuu cu colector. Motorul de curent continuu fara perii cu rotor exterior are aceeasi sectiune transversala.

Procesul comutatiei este similar in cele doua masini iar ecuatiile care rezulta si caracteristicie mecanice (viteza-cuplu) sunt aproare identice. Cand curentii de faza din motorul de curent continuu fara perii sunt de acest tip - adica curent continuu care comuta polaritatea in sincronism cu trecerea alternanta a polilor magnetici N si S se spune ca motorul fuctioneaza cu excitatie unda dreptunghiulara. Tensiunea contra-electromotoare in acest caz se aranjaza sa fie trapezoidala. Termenii unda dreptunghilara si triunghiulara se folosec pentru a ne referi la motor sau controlerul sau.

Exista si un alt mod de functionare in care curentii de faza sunt unde sinusoidale. Tensiunea contra-electromotoare in acest caz ar fi, ideal, sinusoidala. Fizic, motorul si controllerul sau arata la fel ca motorul cu unda dreptunghiulara, dar exista o diferenta imporanta. Motorul cu unda sinusoidala functioneaza cu o distributie rotativa a solenatiei, similar cu campul magnetic invartitor din motorul asincron sau masina sincrona de curent alternativ. Acest tip de motor fara perii este un simplu motor sincron de curent alternativ cu excitatie fizica de magneti permanenti. El este mult mai asemanator cu masina asincrona decat cu motorul de curent continuu cu colector si din aceasta cauza el este adesea denumit motor de curent alternativ fara perii.

Motorul de curent continuu fara perii se utilizeaza frecvent in actionarea hard-disk-urilor de la calculatoare.

Sectiunea transversala a unui motor de curent continuu cu colector, cu magnet permanent este reprezentata in figura 5. Magnetii ficsi se monteaza in interiorul carcasei statorice, in timp ce rotorul poseda o infasurare rotativa sau armatura. Curentul alimenteaza infasurarea armaturii cu ajutorul periilor si colectorului. In masina de curent continuu campul magnetic este fix in spatiu. Datorita actiunii colectorului modelul curentului este de asemenea fix in spatiu, chiar prin conductoarele care se rotesc.

In figura 5 nu se arata colectorul sau periile astfel ca acesta ar putea reprezenta la fel de bine si un motor de curent continuu fara perii cu rotor exterior, cu o infasurare a armaturii fixata pe stator si magneti rotativi in exterior.

Invelisul magnetului permanent furnizeaza o forma cilindrica convenabila pe care se monteaza placile discului iar diametrul mare mareste momentul de inertie ceea ce contribuie la mentinerea constanta a vitezei de rotatie.

Fig. 6 Sectiunea transvesala a motorului de curent continuu fara perii cu rotor interior.

O sectiune transversala a unui motor tipic de curent continuu fara perii cu rotor interior este reprezentata in figura 6. Magneti sunt pe rotor. Periile si colectorul nu sunt necesare pentru ca infasurarile sunt in stator si nu se rotesc. Diametrul mic al rotorului reduce momentul de inertie, comparativ cu cel al motorului cu rotor exterior, si aceasta configuratie este obisnuita in servosisteme. Statorul este asemanator cu cel al unui motor asincron. Pentru functionarea la viteze reduse este suficient sa se aranjeze magnetii pe suprafata butucului rotorului.

Pentru functionarea la viteze mari, motorul cu rotor interior poate necesita, in jurul magnetilor, un cilidru auxiliar din otel inoxidabil subtire, nemagnetic, sau alt aliaj cu mare rezistivitate, pentru a reduce pierderile prin curentii turbionari.

Exista foarte multe variante constructive de motoare de curent continuu fara perii (constructii disc cu intrefier axial, rotor interior, rotor ecterior, etc).

Magnetii pot fi lamelari, in arc sau discuri de diferite forme si pot fi sau nu premagnetizati. In mod obisnuit magnetii de mare energie se asambleaza premagnetizati, pe cand magnetii de mica energie pot fi magnetizati dupa asamblare.

Comutatia

Procesul de comutatie este asadar fundamental in functionarea motorului de curent continuu fara perii si in comanda sa. In cele ce urmeaza se va descrie comutatia motorului de baza de curent continuu fara perii, cu unda dreptunghiulara, aratand ca aceasta este identica cu comutatia unui foarte simplu motor de curent continuu cu colector. Din aceasta se va deduce ca cele doua masini au caracteristici identice.

Campul este produs de un magnet permanent (figura 7). Acest camp este un camp cu doi poli, pentru ca exista numai un pol N si un pol S la fiecare rotatie completa.

Axa unei singure bobine (figura 7) este reprezentata la unghiul fata de axa de referinta. Trebuie sa cunoastem mai intai forma de unda a tensiunii electromotoare in bobina cand aceasta se roteste in interiorul magnetului. Pentru aceasta este necesar sa mai intai sa gasim forma de unda a fluxului inlantuit (figura 8.a).

Acesta este produsul numarului de spire si a fluxului prin suprafata unei spire. Indicele 1 arata prima din cele trei bobine sau faze. Cand fluxul inlantuit , similar cand si din nou dupa o rotatie completa cand

Fig. 7 Sectiune transverasla a unui motor elementar de curent continuu cu colector, cu indicarea pozitiei axei de referinta si a bobinei rotative.

In intervalul fluxul inlantuit creste la valoarea maxima pozitiva la cand vitrual tot fluxul strabate bobina. Datorita pauzei dintre magnetii permanenti N si S , bobina se poate roti cateva grade in orice pozitie fata de fara ca fluxul inlantuit sa se schimbe. Aceasta da cresterea din partea de sus plata din forma de unda a fluxului, figura 8.a. Forma de unda a tensiunii electromotoare poate fi acum deterinata din forma de unda a lui cu legea inductiei electromagnetice. Matematic tensiunea electromotoare este:

    (1)

Unde este viteza unghiulara. Daca n este turatia in rot/min, atunci . Viteza de variatie a fluxului in raport cu pozitia rotorului, se obtine din pantele din figura 8.a, rezultand forma de unda reprezentata in figura 8.b. In practica colturile din aceasta forma de unda tind sa fie netezite.

La motorul classic colectorul comuta curentul continuu de alimentare in bobina cu aceeasi polaritate ca tensiunea electromotoare astfel ca puterea de alimentre este . Forma de unda a curentului este reprezentata in figura 8.c.

Daca viteza unghiulara este constanta si daca se neglijeaza pierderile, puterea electrica de intrare este convertita in putere mecanica , unde este cuplul produs de o bobina. Forma de unda a cuplului este reprezentata de figura 8.d si este clar ca se obtine un cuplu unidirectional ca rezultat al reversarii curentului in sincronism cu cel al tensiunii electromotoare.

Totusi cuplul produs de o bobina nu este constant. Exista perioade de cuplu nul care se pot identifica in partea de sus, plata, a formei de unda a fluxului inlantuit.Aceasta se datoreaza spatiului fizic dintre magnetii N si S. Figura 9 reprezinta schematic functionarea motorului de curent continuu cu colector ca cel din figura 7 dar cu trei bobine ale caror axe sunt defazate simetric cu una fata de cealalta.

Fig 8 Formele de unda ale fluxului inlantuit, t.c.e.m., curentului si cuplului intr-un motor elementar de c.c. cu colector sau motor de c.c. fara perii.

Bobinele se conecteaza impreuna intr-un punct iar celelalte capete se conecteaza la trei segmente de colector, fiecare avand o deschidere de Formele de unda ale cuplului produs de bobinele 2 si 3 sunt identice cu dar defazate cu si respectiv , ca in figura 8.e si f. Cuplul total este suma , ca in figura 8.g. Acest cuplu este constant.

Motorul de curent continuu cu trei segmente de colector este aproape identic cu motorul de curent continuu trifazat fara perii cu unda dreptunghiulara. Bobinele din motorul cu colector sunt fazele motorului fara perii. Periile si colectorul functioneaza echivalent cu invertorul cu tranzistoare din figura 10 si formele de unda din figura 8 corespund motorului fara perii.

Fig. 9 Motorul de c.c elementar cu trei segmente de colector si doua perii.

Tranzistoarele de putere indeplinesc functia de comutatie a colectorului si periilor, dar necesita un traductor separat de pozitie a arborelui si un circuit de sesizare (neindicate in figura 10). Anumite caracteristici importane sunt aceleasi in ambele motoare. Forma de unda a curentului in faze este o unda dreptunghiulara de ; in fiecare moment conduc doua faze. Comutatorul asigura constanta curentului continuu de la sursa de alimentare ca si constanta cuplului.

Forma de unda constanta a cuplului nu este importanta, in special in servoactionari unde se cere o precizie inalta si o reglare a vitezei si pozitiei. In masini-unelte, de exemplu, finisarea piesei prelucrate poate fi afectata negativ de variatiile de cuplu ale motorului de actionare. Variatiile periodice de cuplu, sau ripple-ul, constituie cauza vibratiilor care pot fi extrem de suparatoare daca produc rezonanta mecanica sau structurala in echipamentul actionat.

Importanta unei forme de unda a curentului continuu este aceea ca minimizeaza necesarul de condensatoare de filtrare conectate in paralel cu sursa de alimentare de curent continuu si in general ajuta - prin nivelul armonicilor - reducand necesitatile de filtrare.

La viteza constanta, forma de unda constanta a cuplului si forma de unda constanta a curentului continuu de alimentare, conversia energiei electromecanice este constanta conform ecuatiei:

(2)

unde:

- E este tensiunea electromotoare a doua faze in serie;

- I este curentul continuu de alimentare.

Fig. 10 Invertor cu tranzistoare pentru utilizarea motorului trifazat de c.c fara perii.

Ecuatia (2) s-ar putea spune ca este cea mai fundamentala ecuatie din teoria motorului. Ea intruchipeaza liniaritatea esentiala si simplitatea motorului de curent continuu din punctul de vedere al reglarii. Este foarte important ca motorul de curent continuu fara perii in forma sa ideala, are exact aceleasi caracteristici.

Din contra, motorul de c.a de inductie (asincron) nu poate urmari natural ecuatia 2, desi poate fi aratat ca se poate realiza aceasta - in mod indirect - cu ajutorul transformarilor matematice care au la baza controlul vectorial sau controlul cu vectori orientati in camp. Necesitatea acestor transformari este insotita de faptul ca controlul liniar al motorului de inductie (ca servomotor) pretinde o electronica mult mai complexa decat a motorului de curent continuu fara perii, desi actionarile simple cu viteza variabila a motorului cu inductie au performante dinamice mai reduse.

Un competitor potential mai recent al motorului de curent continuu fara perii este motorul cu reluctanta in comutatie. Desi acest motor poate fi reglat print-o schema simpla de comutatie similara cu aceea a motorului de curent continuu fara perii cu unda dreptunghiulara, aceasta nu are drept rezultat cuplu constant sau curent constant de alimentare. Pentru a realiza forme de unda constante pentru aceste marimi sunt necesare controllere mult mai complexe cu forme de unda specifice fiecarui motor.

Caracteristici de performanta

Cea mai buna cale pentru a intelege caracteristicile de performanta ale motorului de curent continuu fara perii este sa studiem caracteristica mecanica (viteza unghiulara functie de cuplu). Aceasta caracteristica reprezinta capacitatea stationara a motorului in actionarea diferitelor tipuri de sarcina. Importanta sa are origine in faptul ca aceasta caracteristica, viteza - cuplu, a motorului trebuie sa fie compatibila cu carcateristica similara a sarcinii. Anumite sarcini, de exemplu, compresoare, macarale si conveiere au un cuplu de sarcina mai mult sau mai putin constant, care nu variaza cu viteza (figura 11).

Figura 11 Caracteristici mecanice tipice ale diferitelor sarcini.

Altele au un cuplu care creste proportional cu patratul vitezei: tipic pentru pompe centrifugale, ventilatoare si suflante. Unele sarcini necesita o actionare la cuplu constant pana la o anumita viteza de baza si o actionare la putere constanta la viteze mai mari. Aceasta este tipic pentru sarcini de tractiune, de exemplu, vehicule electice. Masinile de spalat prezinta de asemenea aceeasi carcateristica, ca si actionarea axelor de la masinile-unelte.

Functia de baza a caracteristicii mecanice este de a ne asigura ca motorul poseda cuplu suficient la toate vitezele - de la zero la viteza maxima - pentru a accelera sarcina din repaus si pentru a mentine viteza maxima fara a depasi limitele electrice sau termice. Limitele electrice sau termice apar ca granite in caracteristica viteza - cuplu, asa cum vom vedea in continuare.

Caracteristica mecanica a motorului de curent continuu fara perii poate fi determinata experimental sau analitic. In cele ce urmeaza vom determina o ecuatie a caracteristicii viteza - cuplu in forma cea mai simpla. Referitor la ecuatia (1) putem observa ca viteza de variatie a fluxului inlantuit (figura 8.a) este constanta in timpul fiecarui interval corespunzator lui in timpul de conductie a fazei 1. Rezulta ca E - tensiunea electromotoare in cele doua faze in serie care conduc - poate fi scrisa:

, (3)

Unde este o constanta numita constanata tensiune electromotoare.

Din ecuatiile (2) si (3):

(4)

Prin urmare, cuplul este proportional cu curentul. Aceasta proportionalitate este importanta deoarece constanta de proportionalitate din ecuatia (4) este de obicei numita constanta cuplului . Este clar din acest caz ideal ca .

Aceasta egalitate este adesea scapata din vedere, in special cand nu se utilizeaza Sistemul International (SI) de unitati de masura.

In aceste sisteme si nu sunt egale numeric, ci difera printr-un factor constant de multiplicare.

Referitor la sistemul din figura 10, tensiunea de aplicare este egala cu tensiunea contraelectromotoare E si a caderii de tensiune rezistiva in infasurarile motorului plus caderea de tensiune perii - colector:

(5)

R reprezinta rezistenta celor doua bobine (faze) in serie iar I este curentul de alimentare. Ecuatia este aplicabila motorului de curent continuu fara perii. Daca reprezinta caderea de tensiune pe tranzistoarele care conduc. In sistemele bine proiectate este mai mica decat tensiunea sursei de alimentare si in continuare se va neglija.

, (6)

Inlocuind E si I din ecuatiile (3) si (4) in ecuatia (5) rezulta:

(7)

(8)

unde

- este viteza de mers in gol ideal, in rad/s si cuplul de pornire, in Nm;

- este cuentul de pornire limitat numai de rezistenta infasurarii.

Conform relatiei (6) caracteristica viteza - cuplu este o dreapta (figura 12).

Fig. 12 Caracteristica mecanica si caracteristica curentului unui motor de c.c fara perii.

Ecuatia (6) este scrisa in marimi relative (raportate). Viteza unghiulara se raporteaza la viteza de mers in gol ideal in timp ce cuplul si curentul se raporteaza la valorile lor de pornire (cu rotorul blocat sau calat).

Daca motorul functioneaza in gol, cuplul este zero si curentul absorbit de la sursa este nul. Nu exista cadere de tensiune pe rezistenta R si de aceea motorul accelereaza pana ce E este egala cu . Aceasta rezulta din definitia vitezei de mers in gol ideal. Ecuatia (7) arata ca viteza de mers in gol ideal variaza cu schimbarea tensiunii de alimentare: de fapt ea este proportionala cu tensiunea de alimentare. Figura 12 include o a doua caracteristica la 1,5 x tensiunea nominala.

Cand se aplica cuplul de sarcina, curentul absorbit de la sursa este diferit de zero si rezulta o cadere de tensiune RI pe rezistenta motorului. Aceasta cadere de tensiune este posibila numai daca E scade la valoarea V - RI si de aceea viteza trebuie sa scada. Scaderea lui E este proportionala cu curentul, deci cu cuplul, si aceasta explica de ce caracterisica viteza - cuplu, la tensiune constanta este liniara. Daca se aplica un cuplu de sarcina (rezistent) foarte mare viteza scade la zero si motorul este blocat (in repaus). Atunci E = 0 si toata tensiunea sursei se aplica pe rezistenta R. Deoarece R este de obicei o rezistenta foarte mica, rezulta un curent de repaos foarte mare. In mod normal nu este permisa trecerea acestui curent, chiar pentru un timp scurt, deoarece ar demagnetiza magnetii, ar distruge tranzistoarele de putere sau ar arde izolatia conductoarelor.

De fapt functionarea normala se limiteaza in regiunea din partea stanga a figurii 13. Pana la 30% din cuplul de repaus (si din curent) se poate obtine o functionare in serviciu continuu si de aici pana la circa 50% - 60% o functionare in serviciu de scurta durata, desi aceste procentaje variaza foarte mult la diferiti proiectanti.

Figura 13 reprezinta regimurile de functionare continua si de scurta durata a motorului de curent continuu fara perii. Caracteristica mecanica defineste limitele de functionare ale motorului si controlerului.

Motorul nu functioneaza totdeauna intr-un punct de caracteristica stationara viteza - cuplu. De fapt, viteza si cuplul celor mai multe motoare de curent continuu fara perii variaza continuu. In medie dupa o lunga perioada de timp, punctul de functionare trebuie sa ramana in interiorul domeniului de functionare continua.

Figura 13 Regiunile tipice de functionare continua si de scurta durata.

Se permit treceri in regimul de scurta durata, treceri solicitate de sarcina, prevazandu-se ca efectul caldurii acumulate sa nu produca cresterea temperaturii motorului peste valoarea nominala corespunzatoare regimului de scurta durata. Calculele termice sunt extrem de importante in evaluarea si alegerea motoarelor de curent continuu fara perii.

Racirea fortata poate creste puterea nominala a motoarelor de curent continuu fara perii. Racirea are un efect important pentru ca cele mai multe pierderi care produc incalzirea apar in stator, care este partea cea mai usor de racit. In anumite instalatii aerospatiale se utilizeaza un lichid de racire (combustibil sau ulei de ungere) pentru a raci statorul, astfel incat pentru anumita putere nominala este necesar un gabarit mult mai mic. Exista chiar tipuri care folosesc conductoare de cuplu goale prin care trece lichidul de racire. Unele motoare fara perii, de foarte mare viteza, folosite la centrifuge se racesc prin refrigerare. Aceste motoare functioneaza frecvent in vid pentru a elimina efectele incalzirii - prin frecare cu aerul - a partilor care se rotesc.

Figura 14 Functionarea la viteza constanta a motorului de c.c fara perii.

Efectul temperaturii asupra cracteristicilor magnetului joaca un rol important in caracteristicile motorului. Pe masura ce motorul se incalzeste, temperatura magnetului creste si in cele mai multe cazuri aceasta produce o reducere a fluxului disponibil al magnetului. Ca urmare constanta de cuplu se reduce.

Carcateristicile viteza - cuplu reprezentate in figurile 12 - 14 sunt toate linii drepte, fiind derivate din ecuatia idala (6). In practica, caracteristica viteza - cuplu nu este dreapta din cauza efectului inductiei infasurarii - care produce distorsiuni la viteze mari - si datorita saturatiei magnetice legata de efectul de demagnetizare datorat curentilor de faza la cuplu mare.

Mai mult, in analiza prezenta s-a ignorat efectul tututror pierderilor in infasurarile statorului. Pierderile suplimentare includ si pierderile in fier (histerezis si curentii turbionari), ventilatie si frecarile in rulmenti.

In completare ar putea fi curentii turbionari in cilindrul auxiliar - daca este echipat cu unul - sau in magneti, in cazul in care rezistivitatea este destul de mica. Aceste pierderi suplimentare sunt produse sau cresc cu variatia inductiei magnetice datorate crestaturilor statorice sau ondulatiei curentilor de faza ca urmare a folosirii chopper-elor sau modulatiei in latime. Curentii mari si temperaturile ridicate contribuie la demagnetizare. Oricum, intr-o actionare de curent continuu fara perii proiectata corect, demagnetizarea nu este o problema deoarece curentul este controlat permanent si este limitat de controller iar detectarea temperaturii motorului este o problema simpla.

Din caracteristica mecanica nu rezulta clar cum un motor de curent continuu fara perii poate funtiona la viteza constanta deoarece apare ca viteza scade cu cresterea cuplului de sarcina. Carcateristica mecanica este numai o granita de limitare de functionare. Reamintind aceasta, linia groasa din figura (14) arata functionarea la viteza constanta.

Pe masura ce cuplul de sarcina creste, se creste tensiunea de alimentare in aceeasi proportie ca si caderea de tensiune RI, astfel incat E ramane constanta si prin urmare viteza ramane constanta. Acest lucru poate fi observat din faptul ca punctul de functionare intersecteaza o serie de caracteristici viteza - cuplu corespunzatoare cresterii tensiunii. Reglarea caderii de tensiune RI de catre controllerul de reglare a tensiunii se realizeaza prin reglarea vitezei.

Cuplul perfect neted al motorului ideal de curent continuu fara perii nu poate fi obtinut intr-un motor practic, desi poate fi apropiat. Variatia cuplului in timpul unei rotatii apare din comutatia imperfecta a curentilor fazelor; din modulatia formei de unda a curentului produs de chopper; si in variatia reluctantei circuitului magnetic datorita crestaturilor daca rotorul se roteste. Acest ultim efect este denumit uneori zimtare. El este detectabil cand arborele este rotit usor cu mana. Ondulatia cuplului datorita comutatiei imperfecte si ondulatia curentului nu pot fi detectate in acelasi mod. La viteze ridicate inertia motorului si sarcina micsoreaza variatia vitezei produsa de ondulatia cuplului de o amplitudine data. La viteze reduse, o bucla de viteza poate elimina aproape ondulatia cuplului daca amplificarea si largimea de banda sunt suficient de mari.

Zgomotul masinii electrice a devenit o problema de o importanta sporita. Experienta arata ca zgomotul audibil al motoarelor fara perii este mai mic decat cel al altor motoare. Motivele pentru aceasta de datoreaza faptului ca intrefierul este constant si mai mare decat la motoarele cu inductie, pas-cu-pas sau cu reluctanta variabila si de aceea fortele magnetice radiale nu mai sunt concentrate ci sunt echilibrate si distribuite pe o arie relativ larga a polului.

Sesizarea pozitiei arborelui

Tranzistoarele de putere ale invertorului trebuie sa primeasca comenzi de conductie si de blocare de la un sistem logic care se sincronizeaza cu pozitia rotorului. Semnalele de sincronizare necesare provin de obicei de la un traductor care poate fi: resolver, encoder optic sau traductor cu efect Hall.

Figura 15 arata esenta unui sistem resolver. Resolverul furnizeaza o solutie foarte fina a semnalului de pozitie a arborelui. Iesirea sa este un semnal cu doua faze (sin/cos) la frecventa purtatoarei, modulat sinusoidal cu roatatia rotorului fata de stator. Iesirea demodulata se poate transforma intr-un tren de pulsuri cu un convertor resolver - digital (RDC), care este de obicei un simplu circuit integrat. Se obtin 1000 - 4000 pulsuri pe rotatie.

Resolverul este un traductor de pozitie absolut pentru ca furnizeaza un semnal la orice pozitie sau orice viteza inclusiv viteza zero.

Sensul de rotatie poate fi determinat din defazarea relativa dintre doua canale (faze) si se obtin semnale analogice sau digitale. Resolverul se utilizeaza cand este necesara o cantitate mai mare de informatii decat pentru pulsurile de comutatie, indeosebi pentru turatie sau un semnal precis de pozitionare a arborelui.

Resolverul este relativ scump, dar are avantajul suplimentar al rigiditatii si poate fi folosit in medii cu temperaturi inalte sau la viteze ridicate (cel putin 40000 rot/ min). Senzorul insasi este fara perii si poate fi livrat cu sau fara rulmenti proprii. Resolverul se monteaza pe o extensie a arborelui motorului - la capatul opus actionarii - fara cuplaj. Toate circuitele electronice necesare se monteaza in controller. Daca motorul fara perii poate rezista mediului, resolverul poate deasemenea, deoarece este constituit din aceleasi materiale de cupru sau otel, fara magneti.

Figura 15 Resolverul pentru reactia de pozitie a arborelui.

Ca si resolverul, encoder-ul optic se utilizeaza cand este nevoie de o cantitate mai mare de informatii decat pulsurile de comutatie. El consta intr-un set de perechi de fototranzistoare si surse de lumina concentrata folosite impreuna cu un disc encoder de sticla sau metal. Modelul fantelor pe disc defineste frecventa si forma de unda a trenurilor de unda care sunt produse de fototranzistoare.

Encoderele se pot proiecta pentru a furniza direct pulsuri de comutatie impreuna cu un tren de frecventa inalta care poate fi folosit pentru a genera un semnal de viteza. Figura 16 arata doua tipuri de discuri de encoder. Encoderele incrementale comerciale cu doua marcari, A si B, care sunt in cuadratura (iesirea fazei la un sfert a unei distante dintre fante).

Un indicator de puls (o fanta pe o rotatie) este prevazut ca o referinta absoluta de pozitie. Discurile de encoder mai complexe au modele speciale (de exemplu scara Grey) care pot fi folosite pentru a furniza informatia de pozitie cu o rezolutie foarte fina si cu o mare acuratete. O rezolutie obisnuita utilizata in actionari este 1000 linii/rotatie.

Encoderele optice se monteaza in acelasi mod ca si resolverele si sunt furnizate cu sau fara rulmenti proprii. Producerea directa a impulsurilor face encoderul optic atractiv pentru conectarea cu circuitee digitale de comutatie. Totusi, ele sunt practic limitate. Encoderul nu poate functiona la temperaturi asa de inalte ca resolverul de asemenea cel mai ieftin encoder incremental necesita o secventa de initializare la pornire pentru a gasi pozitia de referinta. Aceasta secventa poate fi evitata prin utilizarea unui encoder complet, dar acesta este mai scump.

Traductorul cu efect Hall este probabil cel mai simplu traductor de pozitie electronic utilizat pentru generarea impulsurilor de comutatie. Un comutator Hall este un comutator semiconductor care inchide si deschide cand este plasat intr-un camp magnetic decat o anumita limita. El se bazeaza pe efectul Hall, care este producerea unei tensiuni electromotoare proportionala cu inductia magnetica atunci cand semiconductorul este parcurs de curent. Tensiunea electromotoare, inductia magnetica si curentul sunt in directii relative ortogonale si curentul (de cativa mA) poate fi obtinut de la o sursa exterioara.

Este obisnuit sa se detecteze tensiunea electromotoare trecand printr-o valoare limita utilizand semnalul conditionat de circuitul integrat cu un sensor Hall sau mentinandu-l foarte aproape de el. Acesta furnizeaza un impuls compatibil TTL, cu margini abrupte si imun la zgomot mare, pentru conectare , printr-un cablu ecaranat la controller. Pentru motorul trifazat fara perii se aranjeaza trei comutatoare Hall decalate in spatiu la sau electrice si montate pe carcasa statorului. Un magnet separat , cu distantarea corecta a polilor se monteaza pe arbore in apropierea comutatoarelor Hall, sau comutatoarele Hall se pot monta destul de aproape de magnetii rotorului unde se energizeaza de fluxul inlantuit in pozitia corespunzatoare a rotorului.

Diferitele traductoare de pozitie ale arborelui par destul de simple si piata este inca interesata de utilizarea motoarelor fara perii, in multe aplicatii, chiar daca necesita aceste dispozitive. Pe de alta parte se afirma ca nu periile si colectorul afecteaza increderea. Oricum acestea trebuie inlocuite cu un traductor de pozitia arborelui, cu circuit electronic suplimentar si cu un cablu de interconexiune (a se vedea tabelul 1). Aceste componente cresc inevitabil costul si pot scadea siguranta, pentru ca sunt relativ fragile si - daca nu sunt protejate corect - pot fi susceptibile de defect sau functionare incorecta la temperaturi ridicate, praf, ulei, vibratii si socuri si chiar la interferenta electrica.

Nu este surprinzator ca, in ultimii ani s-au facut multe eforturi pentru a elimina traductorul de pozitionare a arborelui. In prezent cel putin sase companii ofera comanda IC care executa comutatia fara niciun sensor suplimentar montat pe motor. Aceasta este numita comanda fara sensori (sensorless control).

Alte sisteme de actionare cum ar fi cele cu motoare asincrone nu necesita reactie de pozitie a rotorului.

Desigur ca servosistemele necesita reactie de pozitie a rotorului de la un traductor sau de la un circuit de detectie "fara senzori", indiferent de tipul motorului utilizat.

Aceasta este insa o cerinta a sistemului nu o cerinta a motorului.

Tabelul 1