
Конструкция бездатчиковых двигателей стиральных машин становится проще
По данным Научно — исследовательского института электроэнергетики (EPRI), свыше половины вырабатываемой в мире электроэнергии расходуется на работу двигателей вентиляторов, насосов, кондиционеров, холодильников, стиральных машин, лифтов, конвейеров и других вращающихся устройств. В большинстве из них используются неэкономичные электромеханические приводы, которые только включают или выключают двигатель. Замена таких неэффективных двигателей на устройства с регулируемой скоростью только в бытовых приборах могла бы сократить потери энергии более чем на 60%.
В большинстве устройств используются универсальные двигатели постоянного тока или асинхронные однофазные двигатели переменного тока. Методы регулирования скорости весьма несовершенны, поскольку используется включение/выключение или симисторное фазовое регулирование. КПД обычной системы в лучшем случае не превышает 50%. Тем не менее, появление высокоэффективных силовых коммутаторов и новейших цифровых контроллеров повысило эффективность двигателей и регуляторов.
Варианты двигателей переменного тока
Крутящий момент на валу любого двигателя переменного тока зависит от телесного угла между полями статора и ротора. Момент образуется при взаимодействии магнитодвижущей силы, которая создается токами в обмотках статора, с потоком в воздушном зазоре, создаваемым ротором. Этот крутящий момент стремится выровнять магнитный поток ротора с намагничивающим полем статора и достигает максимума, когда вектор намагничивающего тока статора сдвинут по фазе на 90° относительно вектора потока ротора. В машине постоянного тока магнит находится в фиксированном положении, но переключение коммутатора и щеток обеспечивает правильную ориентацию намагниченности якоря [статора]. В машинах переменного тока поле в воздушном зазоре вращается, однако постоянный крутящий момент создается до тех пор, пока частоты полей статора и ротора синхронизированы.
Существуют два основных класса машин переменного тока: синхронные и индукционные или асинхронные.
В синхронных двигателях переменного тока поле ротора создается постоянными токами в его обмотках или постоянным магнитом. Для создания постоянного крутящего момента токи статора должны быть синхронизированы по частоте и по угловому положению ротора.
В асинхронных машинах поле ротора создается токами ротора, которые индуцируются посредством трансформирующего действия статора. Частота полей статора и ротора автоматически синхронизируется. Когда индукционная машина останавливается, поток, сцепленный с обмотками ротора, имеет частоту статора и поэтому токи ротора также изменяются с частотой статора. При вращении машины частота сцепленного потока ротора представляет собой разность между частотой статора и частотой вращения ротора и известна как частота скольжения. Когда машина вращается с частотой статора, поток ротора постоянен, токи ротора не индуцируются и крутящий момент равен нулю.
Меньшая скорость, больший крутящий момент
Асинхронные двигатели всегда работают с некоторой скоростью, которая меньше частоты статора. Если нагрузка возрастает, то скорость падает, а частота скольжения увеличивается, порождая больший ток ротора, который, в свою очередь, создает больший крутящий момент.
Эти двигатели широко используются в промышленных и бытовых приборах, особенно, когда требуется фиксированная скорость. Важное достоинство асинхронных двигателей состоит в том, что их можно запускать непосредственным подключением к сети переменного тока. В отличие от этого, выходное напряжение синхронной машины в разомкнутом контуре перед подключением к сети должно быть тщательно согласовано по величине и по частоте. Большие синхронные машины обычно применяются для производства электроэнергии, где к общей электрической сети подключается несколько машин.
В приложениях с регулируемой скоростью выбор двигателя для приводной системы менее очевиден. Для асинхронных двигателей с инверторным приводом широко применяются методы управления скоростью в разомкнутом контуре (V/f). Также возможно автоматическое регулирование с использованием датчика скорости, позволяющее варьировать частоту скольжения двигателя для управления его моментом. Однако достижение высокой динамики регулирования асинхронного двигателя затруднено из-за невозможности измерения токов ротора и большой постоянной времени цепи ротора. С другой стороны, динамичное регулирование крутящего момента синхронного двигателя достаточно просто, поскольку известно угловое положение ротора.
Синхронные машины с постоянным магнитом (PMSM) на протяжении многих лет используются в промышленных серво приложениях. Благодаря ротору с постоянным магнитом, этот двигатель очень эффективен, поскольку позволяет получить более высокий постоянный крутящий момент, по сравнению с асинхронным двигателем с такими же габаритами. Однако требуется измерять угловое положение вала с помощью датчика положения, такого как датчик Холла или датчик углового положения. Ранее это требование, касающееся датчика углового положения ротора, ограничивало области применения двигателей только высокопроизводительными промышленными приводами, но благодаря развитию «бездатчиковых» алгоритмов управления в последние годы наблюдается рост использования этих двигателей в бытовых приборах.
Регулирование скорости компрессора
Одно из первых применений PMSM в бытовой технике связано с регулированием скорости компрессора. В обычном компрессоре кондиционера или холодильника использовался асинхронный двигатель, который работал с фиксированной скоростью, зависящей от частоты сети. Такой компрессор должен быть рассчитан на условия максимальной нагрузки после подачи напряжения, но в нормальном режиме для поддержания заданной температуры он периодически включается и выключается и работает с довольно низкой нагрузкой. Однако если используется регулирование скорости компрессора, то может быть выбрана наиболее эффективная рабочая скорость. Регулирование скорости увеличивает КПД более чем на 30%, а более высокая эффективность двигателя с ПМ добавляет еще 15%. В настоящее время на таких чувствительных к затратам энергии рынках, как Япония, регулирование скорости компрессора используется почти в 90% кондиционеров и более чем в 50% домашних холодильников.
В первых бездатчиковых контроллерах использовалась шестиступенчатая коммуникационная последовательность для обмоток двигателя, а положение ротора определялось с помощью контроля обратной электродвижущей силы (emf) свободной обмотки. Такое решение обеспечивает надежное регулирование скорости, но не дает возможности получить плавный крутящий момент двигателя. Для того, чтобы обеспечить постоянный крутящий момент с помощью шестиступенчатого переключения, двигатель, во-первых, должен иметь трапецеидальную форму обратной ЭДС вместо обычной синусоидальной формы. Вторая, более серьезная проблема, связана с «бросками крутящего момента», которые происходят при переключении тока на следующую обмотку во время коммутации. Проблема усугубляется при высокой скорости двигателя, поскольку обратная ЭДС способствует ослаблению тока в отключаемой обмотке и противодействует его увеличению в подключаемой обмотке.
Бросок крутящего момента создает слышимый шум в вентиляторах, стиральных машинах, насосах и кондиционерах, так как высокочастотные гармоники момента двигателя легко возбуждают систему на частотах механического резонанса. Контроллер, однако, очень прост в исполнении и до сих пор используется в приложениях, которые не требуют плавного регулирования момента.
Альтернативное регулирование
Альтернативный, бездатчиковый метод регулирования стал популярен в последнее время с внедрением экономичных цифровых сигнальных процессоров (DSP) и контроллеров с сокращенным набором команд (RISC), способствовавших реализации более сложных алгоритмов управления.
«Токовый бездатчиковый» контроллер позволяет подавать на PMSM напряжение и ток синусоидальной формы и определяет положение ротора путем измерения токов двигателя. Этот алгоритм эффективно создает постоянный крутящий момент без слышимого шума, характерного для шестиступенчатых контроллеров, описанных выше. Помимо этого, данный алгоритм реализуется на базе новой архитектуры аппаратуры управления, которая делает возможным эффективное применение сложных контроллеров без кодирования программы.
Токовый бездатчиковый контроллер образует ядро специализированной интегрированной платформы. Совместимые микросхемы завершают платформенный подход, решая проблемы интеграции, связанные с управляющими и силовыми электронными компонентами. Они включают интегральные схемы (ИС) трехфазного инверторного привода и управляемые током высоковольтные ИС для связи ИС цифрового управления и силового каскада.
Без традиционного программирования
Токовый бездатчиковый алгоритм основан на простой модели PMSM. Обратная ЭДС обмотки двигателя является синусоидальной функцией угла ротора, поэтому она позволяет оценить величину этого угла. Обратная ЭДС рассчитывается путем измерения тока, протекающего по обмоткам статора при приложенных к нему напряжениях. Для упрощения расчетов трехфазная цепь преобразуется в эквивалентную двухфазную модель с помощью преобразования Кларка. Обратная ЭДС ротора представлена уравнениями с синусной и косинусной функциями.
Для получения угла ротора производится интегрирование выражений для обратной ЭДС, чтобы рассчитать функцию потока ротора, которая в этом случае не зависит от скорости. Тогда отношение синусного и косинусного выражения для потока не зависит от величины этого потока и поэтому может быть использовано для точного расчета угла и скорости ротора.
Оценки угла играют ключевую роль в алгоритме управления, но для полной реализации системы управления, необходим ряд других функций. Контроллер состоит из внешнего контура скорости, который создает опорный крутящий момент, и внутреннего контура тока статора, который регулирует напряжение, подаваемое на обмотки. Контур управления током статора выполняется во вращающейся системе отсчета с использованием техники регулирования с ориентацией по полю (field-oriented control — FOC). Поворот вектора, как функция угла ротора, преобразует токи статора в две компоненты квазипостоянного тока, ID и IQ.
Ток IQ представляет собой квадратурную компоненту относительно потока ротора и относится к току, создающему крутящий момент. Опорный вход IQ берется с выхода контура скорости. Ток ID направлен вдоль потока ротора и может его усиливать или ослаблять. В большей части диапазона скоростей заданное значение ID равно нулю. Однако, если требуется расширенный диапазон скоростей при постоянной мощности, ID может быть установлен на ослабление потока ротора. Это может быть очень полезным для применения в стиральных машинах, где требуются очень высокие скорости вращения.
Алгоритм бездатчикового управления с ориентацией по полю реализован в новой архитектуре контроллера. Каждая функция в системе управления выполняется не программой, а аппаратными макроблоками. Такие функции, как ПИ-регулятор, блок поворота вектора и преобразование Кларка являются общепринятыми для всех систем управления двигателями переменного тока.
Библиотека поставляется в составе ИС управления двигателем и включает функции для аналоговых входов и управление пространственно-векторной ШИМ. Разработчик системы управления использует графические средства для переноса компонентов из библиотеки в проект системы управления. После этого графический компилятор транслирует схему управления в набор инструкций, которые соединяют аппаратные макроблоки в нужную последовательность для реализации системы управления.
Выбор контроллера
Точность регулирования скорости барабана имеет большое значение для управления процессом стирки в стиральных машинах с фронтальной и вертикальной загрузкой. Машины с фронтальной загрузкой, применявшиеся в течение многих лет в Европе, становятся все более популярными в Северной Америке. В машинах с вертикальной загрузкой необходимо, чтобы белье было погружено в воду полностью. В отличие от этого в машинах с фронтальной загрузкой из-за перемешивания достаточно, чтобы вода заполняла лишь нижнюю часть барабана. Значительное уменьшение объема воды позволяет экономить большое количество энергии при ее нагреве.
В машинах с фронтальной загрузкой скорость барабана определяет процесс стирки. В зависимости от радиуса барабана вращение выше определенной скорости вызывает давление белья на его стенки. При этой скорости центробежная сила уравновешивает вес белья.
Если скорость вращения ниже, то белье будет прижато к стенке барабана до тех пор, пока вес вдоль радиуса не превысит центробежную силу.
В этой точке белье падает в нижнюю часть барабана. Скорость вращения барабана определяет интенсивность стирки белья, это позволяет выбрать режим бережной стирки для вещей из тонкой ткани. В машинах с вертикальной загрузкой действие по перемешиванию создается за счет механики, используется коробка скоростей и муфта сцепления. Система регулирования скорости упрощает механическую систему и управляет циклом стирки. Регулирование скорости и угла отрыва белья позволяет лучше управлять процессом стирки и производить стирку с использованием меньшего объема воды.
В стиральных машинах применяются различные варианты управления скоростью двигателя, описанные выше. В европейских стиральных машинах с фронтальной загрузкой не используются двигатели переменного тока, в них обычно применяются универсальный двигатель «щеточного типа». Однако в США в стиральных машинах используются более габаритные барабаны, для которых необходимы двигатели большей мощности.
В настоящее время используются трехфазные асинхронные двигатели, но предпочтительным решением становятся PMSM. Поле асинхронного двигателя формируется током и должно быть создано током намагничивания статора. Общие потери в обмотке более чем в два раза выше, чем потери в двигателе с ПМ. Ток, порождающий крутящий момент, течет в обмотках статора и ротора. Поскольку PMSM более эффективен по сравнению с асинхронным двигателем, в нем используется меньше стали и меди, чем в асинхронном двигателе с такой же мощностью.
За последние несколько лет цена меди и стали увеличилась почти в два раза, в то время как стоимость магнитного материала упала, что позволяет добиться более высокой эффективности при меньшей стоимости. Многие производители бытовой техники начинают применять технологию PMSM в машинах с вертикальной и фронтальной загрузкой. Некоторые используют библиотеку программ и ИС для разработки контроллеров.
Интегрированная конструкция
Интегрированная платформа устройства помогает упростить процесс проектирования и снижает затраты на разработку энергосберегающих технологий в бытовых приборах, имеющих двигатели. В ней используется ИС бездатчикового контроллера со всеми элементами управления, которые необходимы для выполнения бездатчикового автоматического синусоидального управления. При этом отпадает необходимость в утомительном, чреватом ошибками составлении программ для других видов DSP или микроконтроллеров.