Wyjaśnienie siły elektromotorycznej wstecznej: jak siła elektromotoryczna wsteczna kształtuje projekt sterownika silnika

Wyobraź sobie silnik bezszczotkowy obracający się z pełną prędkością, a następnie stopień mocy nagle się wyłącza. Wirnik nadal się obraca, a na zaciskach silnika nadal widać napięcie. To napięcie jest siłą elektromotoryczną, często nazywaną polem elektromagnetycznym. To silnik działa jak generator i wytwarza przeciwne napięcie, które ogranicza przepływ prądu. Dla inżynierów projektantów i zespołów zaopatrzeniowych back EMF nie jest teoretycznym przypisem. Ustawia maksymalną prędkość, wpływa na czas komutacji i określa, jak wytrzymały musi być sterownik.

Co to jest siła elektromotoryczna wsteczna?

Powrót EMF wynika z prawa indukcji Faradaya. Gdy prąd przepływa przez uzwojenie stojana, wytwarza pole magnetyczne. Gdy wirnik przemieszcza się obok tego uzwojenia, strumień magnetyczny łączący uzwojenie zmienia się, a zmiana ta indukuje napięcie. Zgodnie z prawem Lenza indukowane napięcie działa w kierunku przeciwnym do prądu, który spowodował ruch. Im szybciej obraca się wirnik, tym wyższe staje się to przeciwne napięcie. Używa się również terminu siła przeciwelektromotoryczna, ponieważ indukowane napięcie dosłownie przeciwdziała przyłożonemu napięciu.

W formie matematycznej, back EMF to E = Ke × ω , gdzie Ke jest stałą tylnego pola elektromagnetycznego, a ω jest prędkością kątową. Ke zależy od zwojów uzwojenia, siły magnesu i geometrii silnika. W silnikach z magnesami trwałymi Ke jest zwykle podawany w V/krpm i jest to jedna z pierwszych wartości do porównania po sparowaniu silnika ze sterownikiem.

Dlaczego wsteczne pole elektromagnetyczne ma znaczenie w projektowaniu napędów silnikowych

Back EMF wpływa na prawie każdą część napędu silnikowego. Informuje sterownik, kiedy należy przełączyć, jak szybko może pracować silnik i czy możliwa jest komutacja bez czujnika.

Powrót EMF i komutacja

W bezszczotkowym silniku prądu stałego tylko dwie z trzech faz są pod napięciem w dowolnym momencie. Sterownik musi wiedzieć, kiedy przesunąć prąd do następnej pary uzwojeń. W konstrukcji z czujnikiem czujniki Halla zapewniają taki czas. W konstrukcji bezczujnikowej sterownik wykrywa przejście przez zero wstecznego pola elektromagnetycznego w fazie niezasilonej. Przy małej prędkości sygnał ten jest niewielki; przy dużej prędkości jest mocny. Dlatego bezczujnikowa komutacja jest łatwa już powyżej kilkuset obr/min, natomiast ruszanie z miejsca wymaga innej strategii.

Wiele nowoczesnych napędów bezczujnikowych uruchamia pętlę otwartą silnika, a następnie przełącza się na wykrywanie wstecznego pola elektromagnetycznego, gdy sygnał jest stabilny. Takie podejście jest stosowane w naszym wysokowydajny bezszczotkowy sterownik silnika prądu stałego , który zapewnia efektywne przełączanie w szerokim zakresie prędkości.

A4 Wysokowydajny bezszczotkowy sterownik silnika prądu stałego Dostawcy, fabryka - Szanghaj A APT to wysokowydajny bezszczotkowy sterownik silnika prądu stałego A4 Dostawcy i hurtownia A4 Wysokowydajna fabryka bezszczotkowego sterownika silnika prądu stałego A4 ... Zobacz produkt →

Powrót EMF i ograniczenie prędkości

W uproszczonym obwodzie zastępczym napięcie zasilania jest równe spadku rezystancji uzwojenia plus tylna siła elektromotoryczna. Wraz ze wzrostem prędkości wzrasta siła wstecznego pola elektromagnetycznego i pozostawia mniejsze napięcie, aby przepchnąć prąd przez uzwojenie. Bez obciążenia silnik pracuje z prędkością, przy której zwrotne pole elektromagnetyczne jest prawie równe napięciu szyny, a prąd jest prawie zerowy. Na przykład silnik 48 V o Ke wynoszącym 10 V/krpm osiąga około 4800 obr./min bez obciążenia, zanim wsteczna siła elektromotoryczna zrówna się z napięciem szyny. Aby jechać szybciej, należy podnieść napięcie magistrali lub zmniejszyć Ke. Dlatego silnik o wysokim Ke nie zawsze jest preferowany, ogranicza wydajność przy dużych prędkościach, chyba że sterownik może zastosować osłabienie pola.

Powrót EMF w sterowaniu bezczujnikowym

W przypadku silników synchronicznych z magnesami trwałymi tylna siła elektromagnetyczna ma charakter sinusoidalny. Sterowanie bezczujnikowe wykorzystuje obserwatora do oszacowania położenia wirnika na podstawie wektora tylnego pola elektromagnetycznego, eliminując potrzebę stosowania czujnika mechanicznego. Obniża to koszty i zwiększa niezawodność, ale obserwator musi być dostrojony ostrożnie. Podczas nagłej zmiany obciążenia szacunkowa wartość tylnego pola elektromagnetycznego musi nadążać za sygnałem rzeczywistym. Kontroler z pętlami prądowymi o niskim opóźnieniu, np szybko reagujący bezszczotkowy sterownik silnika prądu stałego , daje obserwatorowi czystszy sygnał do podążania.

R5 Szybka reakcja Bezszczotkowy sterownik silnika prądu stałego Dostawcy, fabryka - Szanghaj APT APT to dostawcy bezszczotkowych sterowników silników prądu stałego R5 o szybkiej reakcji i hurtownia Bezszczotkowych sterowników silników prądu stałego R5 o szybkiej reakcji w C... Zobacz produkt →

Zrozumienie warstwy oprogramowania, która interpretuje pole elektromagnetyczne, jest tak samo ważne jak sprzęt. Bliższe spojrzenie na Rola oprogramowania we współczesnych sterownikach silników pokazuje, jak ewoluuje logika napędu.

Jak zmierzyć pole elektromagnetyczne w praktyce

Back EMF to nie tylko wartość obliczona; można to zmierzyć bezpośrednio. Za pomocą oscyloskopu sprawdź fazę silnika względem punktu neutralnego, obróć silnik i odczytaj napięcie szczytowe. Gdy silnik jest napędzany przez sterownik, należy zmierzyć napięcie na zaciskach podczas czasu wyłączenia PWM, aby uniknąć szumów przełączania. Rejestracja napięcia przy kilku prędkościach daje krzywą liniową, której nachylenie wynosi Ke.

Aby zmierzyć Ke, obróć silnik z prędkością 1000 obr./min i odczytaj szczytowe napięcie między przewodem neutralnym. Jeśli zakres wskazuje 12 V, Ke wynosi około 12 V/krpm dla tej konfiguracji uzwojenia. W przypadku pomiarów międzyfazowych podziel odczyt przez √3, aby uzyskać wartość dla każdej fazy.

Dla czytelników zainteresowanych ewolucją napędów PMSM, ciągły postęp w technologii silników synchronicznych z magnesami trwałymi zapewnić użyteczny kontekst dla nowszych metod kontroli.

Praktyczne rozważania projektowe dotyczące wyboru kontrolera

Margines napięcia i ochrona przed przepięciem

Każdy sterownik silnika ma maksymalne napięcie znamionowe magistrali. Podczas hamowania regeneracyjnego lub szybkiego zwalniania, tylna siła elektromotoryczna może wypchnąć napięcie szyny powyżej szyny zasilającej. Jeśli sterownik nie ma zabezpieczenia, może dojść do uszkodzenia kondensatora magistrali lub tranzystorów MOSFET mocy. Dobrze zaprojektowany napęd albo ogranicza prąd regenerowany, albo odprowadza nadmiar energii do rezystora. W przypadku zastosowań, w których występują agresywne zmiany prędkości, a wysokowydajny sterownik silnika z dedykowaną logiką zabezpieczającą radzi sobie z stanami przejściowymi EMF bezpieczniej niż zwykły napęd.

Dostawcy wysokowydajnych sterowników silników serii T, fabryka APT - T300 T400 T500 T720 T1000 T1400 T1800 Fabryka sterowników silników synchronicznych z magnesami trwałymi, wysokowydajne sterowanie silnikami serii T... Zobacz produkt →

Dopasowanie sterownika do silnika

Stała tylnego pola elektromagnetycznego Ke musi odpowiadać napięciu znamionowemu sterownika i zakresowi prędkości aplikacji. Silnik zoptymalizowany pod kątem momentu obrotowego przy niskich prędkościach często ma wysoki Ke, który wytwarza wysokie napięcie na minutę. Jeśli ten sam silnik musi osiągnąć dużą prędkość, sterownik musi obsłużyć wyższe napięcie lub zastosować osłabienie pola. Silnik o niskim Ke może pracować szybciej, ale pobiera więcej prądu przy tym samym momencie obrotowym. Zawsze porównuj napięcie znamionowe, Ke i wartości graniczne prądu szczytowego przed zablokowaniem parowania.

Temperatura dodatkowo komplikuje obliczenia. Silne magnesy tracą niewielki procent strumienia podczas nagrzewania, zmniejszając Ke i zmniejszając ponownie EMF. Silnik pracuje wtedy szybciej przy tym samym napięciu, ale z mniejszym momentem obrotowym na amper. Sterownik uwzględniający ograniczenia termiczne może to zrekompensować, ale zachowanie systemu przy dużych prędkościach nadal będzie się zmieniać.

Wniosek: Back EMF jest wkładem projektu

Back EMF nie jest zakłóceniem, które można uśrednić; jest to sygnał fizyczny, który informuje o prędkości wirnika, czasie przełączania i wymaganym marginesie napięcia. Oceniając sterownik silnika, zapytaj, w jaki sposób pobiera on próbki EMF przy niskiej, dużej prędkości i podczas regeneracji. Prawidłowe sparowanie silnika i sterownika decyduje o wydajności, niezawodności i żywotności.

jako dostawca napędów silnikowych , Shanghai APT Power Technology buduje bezszczotkowe kontrolery prądu stałego i PMSM w oparciu o te realia. Jeśli określasz nowy układ napędowy, przejrzyj silniki i sterowniki z naszego asortymentu i rozważ, w jaki sposób Ke, napięcie szyny i tylna siła elektromagnetyczna będą oddziaływać na siebie w rzeczywistym zakresie działania.