Moteur de vanne

Les machines à courant continu ont généralement des indicateurs techniques et économiques plus élevés (linéarité des caractéristiques, rendement élevé, petites dimensions, etc.) que les machines à courant alternatif. Un inconvénient important est la présence d'un appareil à balais, ce qui réduit la fiabilité, augmente le moment d'inertie, crée des interférences radio, un risque d'explosion, etc. Par conséquent, naturellement, la tâche de créer un moteur à courant continu sans contact (sans balai).

La solution à ce problème est devenue possible avec l'avènement des dispositifs à semi-conducteurs. Dans un moteur à courant continu sans contact, appelé moteur à courant constant de soupape, le jeu de balais est remplacé par un interrupteur à semi-conducteur, l'induit est fixe, le rotor est aimant permanent.

Le principe de fonctionnement du moteur à soupapes

Le moteur de vanne est compris comme un système d'entraînement électrique variable composé d'un moteur électrique à courant alternatif structurellement similaire à une machine synchrone, d'un convertisseur de vanne et de dispositifs de commande qui assurent la commutation des circuits d'enroulement du moteur en fonction de la position du rotor du moteur.En ce sens, un moteur de vanne est similaire à un moteur à courant continu dans lequel, au moyen d'un commutateur de commutation, cette spire de l'enroulement d'induit, qui est située sous les pôles de champ, est connectée.

Un moteur à courant continu est un dispositif électromécanique complexe qui combine la machine électrique la plus simple et un système de contrôle électronique.

Les moteurs à courant continu présentent de sérieux inconvénients, principalement dus à la présence d'un collecteur à balais :

1. Fiabilité insuffisante de l'appareil collecteur, nécessité de son entretien périodique.

2. Valeurs limitées de la tension d'induit et, par conséquent, de la puissance des moteurs à courant continu, ce qui limite leur utilisation pour les entraînements à grande vitesse et haute puissance.

3. Capacité de surcharge limitée des moteurs à courant continu, limitant le taux de variation du courant d'induit, ce qui est essentiel pour les entraînements électriques hautement dynamiques.

Dans un moteur à soupapes, ces inconvénients ne se manifestent pas, car ici l'interrupteur collecteur à balais est remplacé par un interrupteur sans contact réalisé sur des thyristors (pour les variateurs de forte puissance) ou des transistors (pour les variateurs d'une puissance allant jusqu'à 200 kW ). Sur cette base, un moteur de vanne qui est structurellement basé sur une machine synchrone est souvent appelé moteur à courant continu sans contact.

En termes de contrôlabilité, un moteur sans balais est également similaire à un moteur à courant continu - sa vitesse est ajustée en faisant varier l'amplitude de la tension continue appliquée. En raison de leurs bonnes qualités de régulation, les moteurs de vannes sont largement utilisés pour entraîner divers robots, machines de découpe de métaux, machines et mécanismes industriels.

Commutateur à transistor à aimant permanent avec entraînement électrique

Le moteur de vanne de ce type est réalisé sur la base d'une machine synchrone triphasée avec des aimants permanents sur le rotor. Les enroulements de stator triphasés sont alimentés en courant continu fourni en série à deux enroulements de phase connectés en série. La commutation des enroulements est réalisée par un interrupteur à transistor réalisé selon un circuit en pont triphasé.Les interrupteurs à transistor sont ouverts et fermés en fonction de la position du rotor du moteur. Le schéma du moteur de la vanne est illustré à la fig.

Figue. 1. Schéma d'un moteur de vanne avec un interrupteur à transistor

Le couple créé par le moteur est déterminé par l'interaction de deux fils :

• le stator créé par le courant dans les bobinages du stator,

• rotor réalisé à partir d'aimants permanents à haute énergie (à base d'alliages samarium-cobalt et autres).

où : θ est l'angle solide entre les vecteurs de flux stator et rotor ; pn est le nombre de paires de pôles.

Le flux magnétique du stator a tendance à faire tourner le rotor à aimant permanent de sorte que le flux du rotor corresponde en direction au flux du stator (n'oubliez pas l'aiguille magnétique, la boussole).

Le plus grand moment créé sur l'arbre du rotor sera à un angle entre les vecteurs de flux égal à π / 2 et diminuera jusqu'à zéro à l'approche des flux de flux. Cette dépendance est illustrée sur la Fig. 2.

Considérons le diagramme spatial des vecteurs flux correspondant au mode moteur (avec le nombre de paires de pôles pn = 1). Supposons qu'au moment où les transistors VT3 et VT2 sont activés (voir le schéma de la Fig. 1). Ensuite, le courant circule dans l'enroulement de la phase B et dans le sens opposé dans l'enroulement de la phase A. Le vecteur résultant ppm. le stator occupera la position F3 dans l'espace (voir figure 3).

Si le rotor est maintenant dans la position indiquée sur la fig. 4, alors le moteur développera selon 1 le couple maximal auquel le rotor tournera dans le sens des aiguilles d'une montre. Lorsque l'angle θ diminue, le couple diminue. Lorsque le rotor est tourné de 30 °, il est nécessaire selon le graphique de la fig. 2. commuter le courant dans les phases du moteur de manière à ce que le stator vectoriel ppm résultant soit en position F4 (voir Fig. 3). Pour ce faire, éteignez le transistor VT3 et allumez le transistor VT5.

La commutation de phase est réalisée par un interrupteur à transistor VT1-VT6 commandé par le capteur de position du rotor DR ; dans ce cas, l'angle θ est maintenu à 90° ± 30° près, ce qui correspond à la valeur de couple maximale avec les plus petites ondulations. A ρn = 1, six commutations doivent être effectuées par tour de rotor, donc ppm. le stator fera un tour complet (voir Fig. 3). Lorsque le nombre de paires de pôles est supérieur à l'unité, la rotation du vecteur ppm du stator et donc du rotor sera de 360/pn degrés.

Figue. 2. Dépendance du couple moteur sur l'angle entre les vecteurs de flux stator et rotor (à pn = 1)

Figue. 3. Diagramme spatial du stator ppm lors de la commutation des phases du moteur de la vanne

Figue. 4. Diagramme spatial en mode moteur

Le réglage de la valeur du couple se fait en modifiant la valeur ppm. stator, c'est-à-dire variation de la valeur moyenne du courant dans les enroulements du stator

où : R1 est la résistance de l'enroulement du stator.

Le flux du moteur étant constant, la force électromotrice induite dans deux enroulements de stator connectés en série sera proportionnelle à la vitesse du rotor.L'équation d'équilibre électrique pour les circuits du stator sera

Lorsque les interrupteurs sont éteints, le courant dans les enroulements du stator ne disparaît pas immédiatement, mais est fermé à travers les diodes inverses et le condensateur de filtrage C.

Par conséquent, en ajustant la tension d'alimentation du moteur U1, il est possible d'ajuster l'amplitude du courant du stator et le couple du moteur

Il est facile de voir que les expressions obtenues sont similaires à des expressions analogues pour un moteur à courant continu, de sorte que les caractéristiques mécaniques d'un moteur de vanne dans ce circuit sont similaires aux caractéristiques d'un moteur à courant continu à excitation indépendante à Φ = const .

Une modification est apportée à la tension d'alimentation du moteur brushless dans le circuit considéré par la méthode de réglage de la largeur d'impulsion… En modifiant le rapport cyclique des impulsions des transistors VT1-VT6 pendant les périodes de leur inclusion, il est possible d'ajuster la valeur moyenne de la tension fournie aux enroulements du stator du moteur.

Pour appliquer le mode d'arrêt, l'algorithme de fonctionnement de l'interrupteur à transistor doit être modifié de manière à ce que le vecteur ppm du stator soit en retard sur le vecteur de flux du rotor. Le couple moteur deviendra alors négatif. Un redresseur non contrôlé étant installé à l'entrée du convertisseur, la régénération de l'énergie de freinage dans ce circuit est impossible.

Pendant l'arrêt, le condensateur du filtre C est rechargé.La limitation de tension sur les condensateurs est réalisée en connectant la résistance de décharge à travers le transistor VT7. De cette façon, l'énergie de freinage est dissipée dans la résistance de charge.