Введение в специальность электропривод и автоматика

4 Электропривод  с вентильным двигателем

Вентильным  называется синхронный двигатель с  электронным коммутатором напряжения, к которому подключена обмотка статора, и датчиком положения ротора, установленным  на вал двигателя и управляющим  работой коммутатора в зависимости  с положения ротора. Датчик положения ротора генерирует периодические сигналы, по которым открываются и закрываются ключи коммутатора, подключающего к сети соответствующие обмотки статора. В результате этого магнитное поле статора вращается с той же средней скоростью, что и ротор [5].

Простейшей  схемой вентильного двигателя является двухфазная схема, но наибольшее применение нашла трехфазная схема (рисунок 4). В этой схеме вентильная коммутация осуществляется трехфазным инвертором.

Рисунок 4 –  Схема трехфазного двигателя [1]

 

Система вентильной коммутации обычно состоит из датчика  синхронизирующих сигналов, системы формирования сигналов управления и управляемого коммутатора.

Датчик синхронизирующих сигналов задает порядок и частоту переключения элементов коммутатора. При позиционном управлении—это датчик положения ротора, а при фазовом—датчик фазы напряжения якорной обмотки. Датчик положения ротора представляет собой встроенный в машину узел, состоящий из чувствительных элементов, закрепленных на статоре, и сигнальных элементов, закрепленных на роторе. Обычно используются фотоэлектрические или магнитомодуляционные датчики.

Система формирования сигналов управления обеспечивает усиление и формирование синхронизирующих сигналов.

Управляемый коммутатор осуществляет бесконтактные переключения в силовых цепях вентильного двигателя. Управляемый коммутатор выполняется на полупроводниковых приборах или других переключающих элементах, например герконах.

В управляемых  коммутаторах на полупроводниковых приборах используются полностью управляемые приборы (транзисторы, двухоперационные тиристоры) и не полностью управляемые (тиристоры, семисторы). В настоящее время наибольшее распространение получили схемы с не полностью управляемыми полупроводниковыми приборами, так как полностью управляемые полупроводниковые приборы на большие мощности пока еще не разработаны [1].

По способу  коммутации управляемые коммутаторы  на не полностью управляемых полупроводниковых  приборах можно разделить на три вида: с естественной, принудительной и смешанной коммутацией. При естественной коммутации переключения происходят под действием ЭДС якорной обмотки. При принудительной коммутации управление тиристорами осуществляется под действием коммутирующего напряжения отдельного источника либо напряжения питающей сети. При смешанной коммутации имеет место комбинация первого и второго способов.

Вентильные  двигатели могут питаться от сети как постоянного, так и переменного  тока. Если управляемый коммутатор питается от сети постоянного тока, то он представляет собой инвертор — преобразователь постоянного тока в переменный. Если управляемый коммутатор подключен к сети переменного тока, to он выполняет функции преобразователя частоты.

Комбинации  различных структур управляемых коммутаторов, способов инвертирования, типов ключевых элементов и схем их коммутации позволяют получить весьма обширную гамму коммутаторов, которые подробно рассматриваются в курсе промышленной электроники. Однако, несмотря на разнообразие, схемы управляемых коммутаторов можно разделить по принципу преобразования электрических величин на преобразователи напряжения и тока [8].

5 Электропривод  с шаговым двигателем

Исполнительные  органы некоторых рабочих машин  и механизмов должны совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения. В ЭП таких машин и механизмов успешно применяются шаговые двигатели (ШД) разных типов, образующие основу дискретного ЭП.

Широкое распространение  дискретного ЭП определяется еще  и тем обстоятельством, что он естественным образом сочетается с цифровыми управляющими машинами, программными устройствами и микропроцессорами, которые все шире применяются во всех отраслях техники. Например, дискретный ЭП используется для металлообрабатывающих станков с числовым программным управлением (ЧПУ), роботов и манипуляторов, в гибком автоматизированном производстве, в электронной и часовой промышленности и др.

ЭП с ШД в  настоящее время используются на мощности от долей ватта до нескольких киловатт, что определяется мощностью  серийно выпускаемых двигателей. Расширение шкалы мощности дискретных ЭП можно достигнуть используя серийные АД, которые за счет соответствующего управления могут работать в шаговом режиме.

5.1 Принцип  действия и основные свойства  шагового двигателя

Шаговый двигатель по принципу своего действия аналогично синхронному, но в отличие от последнего магнитное поле ШД перемещается (вращается) не непрерывно, а дискретно, шагами. Достигается за счет импульсного возбуждения обмоток ШД с мощью электронного коммутатора, который преобразует одноканальную последовательность управляющих импульсов в многоканальную систему напряжений, прикладываемых к его обмоткам (фазам).

Дискретному характеру  напряжения на фазах ШД соответствует  дискретное вращение (перемещение) электромагнитного поля в воздушном зазоре, вследствие чего движение ротора состоит из последовательных элементарных поворотов или шагов.

Принцип получения  дискретного перемещения ротора рассмотрим на примере простейшей схемы  двухфазного ШД.

ШД имеет  на статоре две пары явно выраженных полюсов, на которых находятся обмотки возбуждения (управления).

Каждая из обмоток  состоит из двух частей, находящихся  на противоположных полюсах статора. Ротором в рассматриваемой схеме  является, двухполюсный постоянный магнит.

Питание обмоток осуществляется импульсами напряжения, поступающими с устройства управления, которое преобразует одно из последовательных входных импульсов управления с частотой N — S. В результате взаимодействия этого поля с постоянным магнитом (ротором) последний займет равновесное положение, в котором оси магнитных полей статора и ротора совпадают. Положение будет устойчивым, поскольку при отклонении от него на ротор будет действовать момент (синхронизирующий), стремящийся вернуть его в положение равновесия.

Допустим, что  с помощью блока управления напряжение снимается с обмотки и подается на обмотку. В этом случае образуется магнитное поле статора с горизонтальными  полюсами, т.е. магнитное поле дискретно  совершило поворот на четверть окружности статора. При этом между осями статора и ротора появляется угол рассогласования α = 90˚ и на ротор будет действовать в соответствии с формулой вращающий момент, под действием которого он повернется на четверть окружности статора и займет новое устойчивое равновесное положение, показанное сплошной линией. Таким образом, вслед за шаговым перемещением поля статора совершит такое же шаговое перемещение и ротор двигателя.

Предположим, что  отключилась одна обмотка и питание  вновь подается на другую обмотку, но с противоположной полярностью напряжения. Магнитное поле статора опять будет иметь вертикально расположенные полюсы, а полярностью. Это означает, что магнитное поле совершило еще один шаг на четверть окружности и снова на ротор будет действовать синхронизирующий момент, который повернет его. Следующий шаг в том же направлении ротор совершит, если отключить вторую обмотку и подключить первую обмотку с обратной полярностью напряжения. И наконец, ротор завершит полный оборот при снятии напряжения с первой обмотки и подаче напряжения на вторую обмотку.

Кроме рассмотренного способа симметричной коммутации обмоток  двигателя, обеспечивающего шаговое  перемещение ротора на 90°, существует способ коммутации, позволяющий при  той конструкции двигателя уменьшить  шаг ротора вдвое.

Подключим первую обмотку с полярностью соответствующей положению магнитного поля, не включая вторую обмотку. При этом образуется вторая, горизонтальная система полюсов и действующее магнитное поле будет складывать из магнитных полей горизонтальных и вертикальных полюсов. О такого результирующего поля будет располагаться между полюсами с одинаковой полярностью, т.е. ось магнитного поля совершит поворот на 45°. Ротор при таком порядке возбуждения обмоток ШД повернется тоже на 45°, а не 90°, как было ранее.

Если теперь снять напряжение с второй обмотки, положение магнитного поля будет соответствовать. Следующее перемещение магнитного поля и ротора на 45° совершится при возбуждающей второй обмотки без отключения первой обмотки и т.д. Схема коммутации, при которой подключаются поочередно одна или две обмотки, называется несимметричной.

Основным режимом  работы шагового привода является динамический. В отличие от СД ШД рассчитаны на вхождение в синхронизм из состояния  покоя и принудительное электрическое  торможение. Благодаря этому в шаговом ЭП проще обеспечиваются: пуск, торможение, реверс и переход с одной частоты управляющих импульсов на другую.

Обеспечение заданного  характера переходных процессов  в ЭП с ШД является основной и  наиболее сложной задачей, так как  вследствие электромагнитной инерции обмоток двигателя, механической инерции его ротора и наличия момента нагрузки на валу при резких изменениях частоты следования импульсов управления ротора может не успеть отработать полностью все импульсы. Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск ШД из неподвижного состояния без выпадания из синхронизма (пропуска шагов), называется частотой приемистости. Чем выше электромагнитная и механическая инерция ШД и больше момент его нагрузки, тем меньше частота приёмистости.

Современные ШД различны по конструктивному исполнению. В зависимости от числа фаз  и устройства магнитной системы  они бывают однофазными, двухфазными  и многофазными с активным или  пассивным ротором.

Активный ротор  у ШД выполняется из постоянных магнитов или снабжается обмоткой возбуждения, как у обычных СД. Вследствие высокой экономичности и надежности в работе, технологичности изготовления, небольших габаритных размеров и массы широкое распространение получили ШД с ротором из постоянных магнитов, называемые магнитоэлектрическими. Обычно ШД с активным ротором из-за сложности его изготовления с малыми полюсными делениями имеют шаг от 15 до 90°. Для уменьшения шага в таких ШД увеличивают число фаз и тактов коммутации, а также используют двух статорную или двухроторную конструкцию.

Скорости ШД с активным ротором составляют от 208 до 314 рад/с, частота приемистости от 70 до 500 Гц, номинальные вращающие  моменты от 10·10^-6 до 10·10^-3  Н·м.

Выпускается несколько  серий шаговых магнитоэлектрических двигателей: четырехфазные ШДА, двух- и четырехфазные ШД и ДШ-А, четырехфазные ШДА-3 и др.

При необходимости  получения небольших единичных  перемещений используются двигатели  с пассивным ротором, которые  делятся на реактивные и индукторные. Работа таких ШД основана на взаимодействии магнитного поля и ферромагнитного тела. Статор и ротор реактивного ШД имеют явно выраженные полюсы, называемые обычно зубцами. На зубцах статора размещаются обмотки возбуждения, питаемые от электронного коммутатора. Ротор выполняется из ферромагнитного материала и не имеет обмотки возбуждения, вследствие чего и называется пассивным [6].

5.2 Схемы управления  шаговым двигателем.

Управление  ШД, как уже отмечалось, обеспечивается электронным блоком.

Современные блоки  управления ШД состоят из нескольких функциональных узлов, выполняемых по различным схемам и с использованием разнообразных элементов. Стремление расширить область применения дискретного привода, повысить качество и точность его движения, а также надежность, упростить наладку и эксплуатацию отразилось в унификации схем управления ШД.

Рассмотрим  обобщенную функциональную схему ЭП с ШД. Основная ее часть, обычно называемая разомкнутой схемой, выделена штриховой  линией.

Сигнал управления  в виде импульсов напряжения поступает, а вход блока 2 от программного или другого внешнего командного устройства (рисунок 5). Блок 2 видоизменяет эти импульсы, формируя их по длительности и амплитуде, как необходимо для нормальной работа последующих блоков схемы управления. Распределитель импульсов 3 преобразует последовательность сформированных импульсов, например в четырехфазную систему однополярных импульсов напряжения, соответствующую числу фаз (обмоток) двигателя. 

SHAPE  * MERGEFORMAT

2

13

3

4

5

 

7

6

11

12

10

9

1

Рисунок 5 –  Схемы управления шаговым двигателем [5]

 

Импульсы с  выхода распределителя 3 усиливаются  с помощью промежуточного усилителя 4 и поступают на коммутатор 5, питающий обмотки ШД 8. Обычно коммутатор питается от источника постоянного тока (выпрямителя) 12 и обеспечивает в обмотках ШД пульсирующий ток одного направления.

Рассмотренная разомкнутая схема управления ШД не всегда обеспечивает высокие динамические свойства, точность и энергетические показатели ЭП. Поэтому современные схемы управления ШД содержат дополнительные узлы, с помощью которых характеристики ЭП улучшаются. К таким узлам относятся частотно - импульсный регулятор напряжения 11, усилитель обратной связи тока, блок электронного дробления шага 13, блок плавного разгона и торможения (датчик интенсивности) 1, датчик положения ротора и скорости 7, и цифровой регулятор 6.