Συστήματα ηλεκτρικής κίνησης χαμηλής ισχύος με χρήση: (α) DC κινητήρα μονίμων μαγνητών και (β) DC κινητήρα χωρίς ψήκτρες

Abstract

Στις προηγούμενες δεκαετίες, οι κινητήρες DC χρησιμοποιούνταν σε απλές αλλά και σε πιο εξελιγμένες βιομηχανικές εφαρμογές, όπως η ανύψωση αντικειμένων, οι ταινιόδρομοι κ.ά. Με το πέρασμα του χρόνου και την εξέλιξη της επιστήμης και της τεχνολογίας των κινητήρων DC, έχουν κυκλοφορήσει στην αγορά νέα μοντέλα κινητήρων προηγμένης τεχνολογίας. Τα δύο μοντέλα κινητήρων DC που αποτελούν το αντικείμενο της μελέτης της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο κινητήρας μονίμων μαγνητών με ψήκτρες (PMDC) και ο DC κινητήρας χωρίς ψήκτρες (BLDC). Η αρχή λειτουργίας των κινητήρων BLDC βασίζεται στη λειτουργία των κλασικών κινητήρων DC, με τη βασική διαφορά ότι οι κινητήρες PMDC διαθέτουν στο εσωτερικό τους μόνιμους μαγνήτες. Οι μαγνήτες αυτοί είναι υπεύθυνοι για την παραγωγή της μαγνητικής ροής στο διάκενο της μηχανής, ενώ στους κλασσικούς κινητήρες DC η μαγνητική ροή παράγεται από τη τροφοδοσία του τυλίγματος διέγερσης μέσω εξωτερικής πηγής. Κατασκευαστικά οι κινητήρες PMDC, είναι παρόμοιοι με τους κινητήρες DC. Αυτή η κατηγορία κινητήρων χαρακτηρίζεται από υψηλό βαθμό απόδοσης προσφέροντας σημαντικά οικονομικά οφέλη, καθώς δεν απαιτείται εξωτερική πηγή για τη διέγερση του κινητήρα. Οι κινητήρες PMDC είναι κατάλληλοι για εφαρμογές μικρής ισχύος, όπου ο έλεγχος της ταχύτητας μπορεί να πραγματοποιηθεί με απλές μεθόδους. Η επόμενη κατηγορία κινητήρων DC, η οποία είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές λόγω της ικανοποιητικής απόδοσής τους, είναι οι κινητήρες BLDC. Οι κινητήρες BLDC δεν χρησιμοποιούν ψήκτρες, με αποτέλεσμα να αποφεύγονται οι σπινθηρισμοί μεταξύ των τομέων του συλλέκτη, δεδομένου που το συγκεκριμένο φαινόμενο εμφανίζεται στους κλασσικούς κινητήρες DC. Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζονται κατά την επιλογή των κινητήρων BLDC είναι η υψηλή απόδοση, η αξιοπιστία, η ελάχιστη συντήρηση, η αυξημένη διάρκεια ζωής και η αθόρυβη λειτουργία. Λόγω αυτών των χαρακτηριστικών, οι κινητήρες BLDC, πέρα από τις κλασικές βιομηχανικές εφαρμογές, έχουν επιλεχθεί ευρέως για την κάλυψη αναγκών σε ιατρικές και αεροδιαστημικές εφαρμογές. Η διπλωματική εργασία αποτελείται από επτά κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο, παρέχεται μία βασική εισαγωγή στους κλασικούς κινητήρες DC, με στόχο να κατανοήσει ο αναγνώστης τις βασικές έννοιες των ηλεκτρικών, προκειμένου να προχωρήσει στα επόμενα κεφάλαια. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται εμβάθυνση στους κινητήρες PMDC και τα χαρακτηριστικά τους. Το τρίτο κεφάλαιο ακολουθεί την ίδια δομή με το κεφάλαιο 2, με τη διαφορά ότι εμβαθύνει στους κινητήρες BLDC. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναφέρεται κυρίως στα βασικά στοιχεία των ηλεκτρονικών ισχύος. Το συγκεκριμένο κεφάλαιο είναι ιδιαίτερα σημαντικό, καθώς τα κυκλώματα ελέγχου των κινητήρων PMDC και BLDC εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την ορθή επιλογή των βασικών στοιχείων των ηλεκτρονικών ισχύος. Στο πέμπτο κεφάλαιο, αναφέρονται τα κυκλώματα ελέγχου ενός κινητήρα PMDC, περιλαμβάνοντας κυκλώματα ανορθωτικών διατάξεων (μονοφασικών και τριφασικών), καθώς και κυκλώματα ελέγχου με τη χρήση Chopper DC/DC για κάθε τεταρτημόριο λειτουργίας του κινητήρα PMDC, ξεχωριστά. Στο έκτο κεφάλαιο, αναλύονται οι μέθοδοι ελέγχου ενός κινητήρα BLDC, όπου οι διαδικασίες ελέγχου διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με το αν ο κινητήρας διαθέτει αισθητήρες Hall ή όχι. Κατά την εξήγηση των μεθόδων ελέγχου, αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα κάθε μεθόδου, με στόχο την επίτευξη του τελικού συμπεράσματος σχετικά με την κατάλληλη μέθοδο που πρέπει να εφαρμοστεί στην προσομοίωση για το κύκλωμα ελέγχου ενός κινητήρα BLDC. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται προσομοίωση μέσω του προγράμματος Matlab των κινητήρων PMDC και BLDC.