Изучение двигателей постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.П. ОГАРЁВА»

Реферат по физике

на тему: «Двигатели постоянного тока»

Выполнил:

В.С. Вдовин

Саранск 2018

Двигатели постоянного тока используются в прецизионных приводах, требующих плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне. Свойства двигателя постоянного тока, так же как и генераторов, определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток возбуждения. По способу возбуждения можно разделить двигатели постоянного тока на двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением.

Двигатели с электромагнитным возбуждением подразделяются на двигатели с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением.

Электрические машины постоянного тока обратимы, то есть, возможна их работа в качестве двигателей или генераторов.

Например, если в системе управления с использованием генератора в обратной связи отсоединить генератор от первичного двигателя и подвести напряжение к обмоткам якоря и возбуждения, то якорь начнет вращаться и машина будет работать как двигатель постоянного тока, преобразуя электрическую энергию в механическую. Двигатели независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяют основным требованиям к исполнительным двигателям самоторможение двигателя при снятии сигнала управления, широкий диапазон регулирования частоты вращения, линейность механических и регулировочных характеристик, устойчивость работы во всем диапазоне вращения, малая мощность управления, высокое быстродействие, малые габариты и масса.

Однако двигатели постоянного тока имеют существенные недостатки, накладывающие ограничение на область их применения малый срок службы щеточного устройства из-за наличия скользящего контакта между щетками и коллектором, скользящий контакт является источником радиопомех.



Рис. 1.1. Структурная схема двигателя независимого возбуждения

Подставим в уравнение второго закона Кирхгофа для якорной цепи и получим

,

,

где - якорное сопротивление, - добавочное сопротивление.

Электродвижущая сила (ЭДС) якоря - пропорциональна угловой скорости - , связь между ЭДС и угловой скоростью, а так же между вращающим моментом и в системе единиц СИ определяется единым электромагнитным коэффициентом

,

где - число пар полюсов двигателя, - число проводников обмотки якоря, - число пар параллельных ветвей обмотки якоря, - магнитный поток.

Причем

,

где - конструктивный коэффициент.

,

,

тогда E якоря

,

а момент

,

и напряжение, подаваемое на двигатель

,

откуда

,

механическая характеристика двигателя постоянного тока записывается в виде

.

Следовательно, механическая характеристика при Ф = const представляет собой прямую линию. Угловую скорость, соответствующую при М = 0 и номинальном напряжении - Uном запишем в виде

.

Эту скорость называют угловой скоростью идеального холостого хода.

,

Рис. 1.2. Механические характеристики в двигательном режиме

Рассмотрим установившиеся режимы работы двигателя постоянного тока для случая, соответствующего постоянному моменту сопротивления.

Такая схема нагружения двигателя постоянного тока соответствует подъему или спуску постоянного груза.

Рассмотрим обобщенные механические характеристики двигателя постоянного тока



Рис. 1.3. Структурная схема нагружения двигателя постоянного тока для постоянного момента нагружения

Рис. 1.4. Механическая характеристика двигателя постоянного тока

В первом квадранте двигатель постоянного тока находится в двигательном режиме и потребляет энергию из сети. При вращении якоря со скоростью >0 двигатель постоянного тока переходит из двигательного режима с моментом М>0 (первый квадрант) в генераторный режим (второй квадрант) с отрицательным вращающим моментом (якорь вращается перпендикулярно, например, под действием инерции исполнительного механизма). При этом момент М<0 и Iя<0, т.е. двигатель постоянного тока отдает энергию в сеть.

Положив в выражение для механической характеристики =0 и R=Rя, U=Uном, получим пусковой момент

.

Так как пусковой ток

,

То

.

При включении двигателя без добавочного резистора (естественная характеристика - 1) груз поднимается со скоростью двигателя 1. При включении добавочного резистора (искусственная характеристика - 2) груз не подвижен (2=0). При работе двигателя в режиме, определяемом характеристикой 3, груз опускается со скоростью 1, искусственная характеристика 4 соответствует режиму динамического торможения, заключающемуся в отсоединении якорной цепи от источника и замыкании ее на добавочный резистор, характеристика 5 аналогична характеристике 2, но напряжение U=Uном, характеристика 6 параллельна характеристики 1 и соответствует во втором квадранте противовключению при подаче напряжения U=Uном.

Электропривода с синхронным двигателем

Переходные процессы в ЭП с СД отличаются большим разнообразием и сложностью. Они возникают при пуске и торможении (останове) СД, при синхронизации его с сетью, увеличении (набросе) снижении (сбросе), механической нагрузки, регулировании тока в возбуждения, изменении напряжения питающей сети, вызываемом в т числе и короткими замыканиями в электрических сетях и линиях электропередач. Изучение этих переходных процессов представляет собой сложную задачу. Определяется это тем, что СД имеет несколько обмоток -- статора, возбуждения и пусковую, обтекаемые переменным и постоянным токами, которые магнитно связаны друг с другом и в процессе работы двигателя непрерывно меняют расположение относительно друг друга. Кроме того, во многих случаях необходимо учитывать и взаимодействие СД и питающей сети.

В общем случае переходные процессы в синхронном ЭП являются электромеханическими, т. е. процессы в электрической и механической частях ЭП связанны друг с другом и имеют, как правило, колебательный характер.

Электропривод с вентильным двигателем

Вентильным (ВД) 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.

Рассмотрим принцип действия ВД (рис. 2), ротор 4 которого представляет собой постоянный магнит N -- S с датчиком положения на валу 8. Коммутатор выполнен на четырех управляемых ключах 1, 2 и 6, 7 и связан с источником постоянного напряжения U. Обмотка статора СД на схеме для упрощения анализа представлена двумя проводниками 3 и 5. Рассмотрим работу схемы, предположив, что управляемые ключи могут открываться и закрываться по сигналам 8 в любой требуемой последовательности и на любую длительность.

Для протекания по проводникам 3 и 5 тока `в указанном направлении должны быть замкнуты ключи 1 и б. В результате взаимодействия магнитного поля ротора с током I в проводниках 3 и 5 на ротор будет действовать вращающий момент, поворачивающий его в соответствии с правилом левой руки по часовой стрелке. После поворота ротора на 180° (на половину оборота) для сохранения прежнего направления вращающего момента на валу двигателя направление тока в проводниках 3 и 5 необходимо изменить на противоположное. для этого с датчика 8 поступает команда на размыкание ключей 1 и 6 и замыкание ключей 2 и 7. После поворота ротора еще на 180° по сигналу с датчика 8 замыкаются ключи 1 и б и размыкаются ключи 2 и 7 и т. д. Таким образом, по сигналам с датчика положения ротора 8, с помощью управляемых ключей происходит коммутация тока в обмотке статора, чем обеспечивается постоянное направление вращающего момента двигателя при любой скорости его вращения.

Нетрудно заметить, что ВД по принципу своего действия аналогичен двигателю постоянного тока, у которого обмотка возбуждения (или постоянные магниты) находится на роторе (вращающейся части). Преимущество ВД, при этом состоит в том, что у него нет механического коллекторно-щеточного узла и поэтому он является полностью бесконтактным при возбуждении от постоянных магнитов или имеет два контактных кольца при использовании обмотки возбуждения.

Совпадение принципов действия двигателя постоянного тока и НД определяет схожесть их механических характеристик.

На статоре ВД располагается трехфазная обмотка переменного тока, питаемая от вентильного коммутатора. Ротор, обеспечивающий возбуждение двигателя, может быть выполнен в виде постоянного магнита или с обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока через контактные кольца и щетки. Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов и мощностью до 30 кВт обычно многополюсные. В этом диапазоне мощности двигатели с постоянными магнитами имеют меньшие габаритные размеры и массу и более высокий КПД по сравнению с двигателями, имеющими обмотку возбуждения.

В ВД средней и большой мощности обычно используются СД с обмоткой возбуждения, расположенной на роторе.

В последнее время ВД мощностью от 30 до 200 кВт стали исполняться бесконтактными с обмоткой возбуждения, специальным образом располагаемой на статоре вместе с трехфазной обмоткой. Ротор в этом случае представляет собой безобмоточное зубчатое

колесо (зубчатку), через которое замыкается магнитный поток, создаваемый обмотками возбуждения и переменного тока. Вращается синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазной обмоткой. Обмотка возбуждения в этом случае усиливает магнитный поток и тем самым увеличивает вращающий момент двигателя.

Коммутатор в схеме ВД представляет по принципу своего действия управляемый инвертор, который может питаться непосредственно от источника постоянного тока (сети постоянного тока, аккумуляторной батареи) или от управляемого выпрямителя, если двигатель подключается к сети переменного тока. В этом случае коммутатор представляет собой преобразователь частоты со звеном постоянного тока.

В тиристорных преобразователях частоты, используемых в ЭП с ВД, коммутация тока в вентилях может быть естественной и искусственной. Естественная коммутация тиристоров используется в тех случаях, когда нагрузка инвертора (трехфазная обмотка содержит источник ЭДС той же частоты, что и выходное напряжение инвертора. При этом благодаря действию этой ЭДС осуществляется коммутация вентилей, получившая название естественной.

Естественная коммутация вентилей, позволяющая использовать простой по схеме инвертор, может быть осуществлена только при сравнительно большой ЭДС двигателя, когда его скорость не ниже 10% номинальной. В связи с этим пуск ВД затруднен и требую специальные меры для устранения этого недостатка.

Инвертор с искусственной коммутацией вентилей -- это преобразователь постоянного напряжения или тока в переменный с принудительной коммутацией вентилей, вследствие чего его работа практически не зависит от характера и режима нагрузки. Схема ВД с искусственной коммутацией, устраняющей возникающие при пуске трудности, характерные для инверторов с естественной коммутацией, представлена на рис. 6.11.

Регулирование скорости вентильного двигателя 4 может производиться за счет изменения напряжения на выходе выпрямителя 1 с помощью сигнала Ua от блока его управления 7, изменения угла управления тиристорами автономного инвертора 3 (сигнал с выхода блока управления инвертором 6) и изменения тока возбуждения Iв.м. Уровень скорости в первых двух случаях определяется задающим сигналом Uз.с. Датчик положения ротора 5 обеспечивает посредством сигнала , пропорционального положения ротора двигателя, требуемую коммутацию тиристоров инвертора 3. Реактор 2, включенный между выпрямителем 1 и инвертором 3, вы выполняет роль фильтра.

Проблема пуска ВД не возникает так же при использовании преобразователей частоты с непосредственной связью. В этих преобразователях коммутация вентилей осуществляется естественным путем при переходе сетевого напряжения через нуль. Однако, как отмечалось выше, преобразователи частоты с непосредственной связью обладают ограниченными регулировочными возможностями.

Для получения высокого качества регулирования координат в статических и динамических режимах в ЭП с ВД используются различные обратные связи. Выпускаемые в настоящее время вентильные двигатели серий

ЭПБ-1 и ЭПБ-2 предназначены для использования в электроприводах механизмов станков и роботов.

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.

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 действия и основные свойства шагового двигателя.

Принцип получения дискретного перемещения ротора рассмотрим на примере простейшей схемы двухфазного ШД (рис. 6.12, а).

ШД имеет на статоре две пары явно выраженных полюсов, на которых находятся обмотки возбуждения (управления) : обмотка 4 с выводами 1Н -- 1К и обмотка 3 с выводами 2Н -- 2К. Каждая из обмоток состоит из двух частей, находящихся на противоположных полюсах статора 2. Ротором в рассматриваемой схеме является двухполюсны постоянный магнит 5.

Питание обмоток осуществляется импульсами напряжения, поступающими с устройства управления, которое преобразует одно из последовательных входных импульсов управления с частотой в многоканальную по числу фаз ШД. Рассмотрим работу ШД, предположив, что в начальный момент времени напряжение подается на обмотку 4. Прохождение тока по этой обмотке вызывает появление магнитного поля статора 2 с вертикально расположенными полюсами 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:

М = Мmax sinб,

где б - угол между осями магнитных полей статора и ротора; Мmax -- максимальный момент.

Допустим, что с помощью блока управления 1 напряжение снимается с обмотки 4 и подается на обмотку 3. 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 б = 90? и на ротор будет действовать в соответствии с формулой вращающий момент М = Мmax, 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 обмотка 3 и питание вновь подается на обмотку 4, но с противоположной, а 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 в положение, показанное на рис. Следующий шаг в том же направлении ротор совершит, если отключить обмотку 4 и подключить об мотку 3 с обратной полярностью напряжения. И наконец, ротор завершит полный оборот при снятии напряжения с обмотки 3 и подаче напряжения на обмотку 4. двигатель электропривод статор ток

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.

Допустим, что исходное положение ШД соответствует схеме показанной на рис. Подключим обмотку 3 с полярностью соответствующей положению магнитного поля, не включая обмотку 4. 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 обмотки 4, положение магнитного поля будет соответствовать. Следующее перемещение магнитного поля и ротора на 45° совершится при возбуждающей обмотки 4 без отключения обмотки 3 и т.д. Схема коммутации, при которой подключаются поочередно одна или две обмотки, называется несимметричной.

Угловое перемещение ШД в общем случае определяется выражением

б = 2р/(pn),

где р -- число пар полюсов ротора; n -- число переключений (тактов) в цикле, равное числу фаз ШД при симметричной коммутации удвоенному числу фаз при несимметричной.

Шаговое перемещение ротора соответствует последовательности управляющих импульсов, при этом каждому импульсу соответствует одно переключение обмотки ШД (один такт коммутации) и один шаг ротора.

Суммарный угол поворота ШД пропорционален числу импульсов, а его скорость -- частоте коммутации обмоток :

щ = б.

для реверса ШД, например при симметричной схеме коммутации необходимо изменить полярность напряжения обмотки, которая была отключена на данном такте коммутации. Тогда ротор ШД совершит шаг в противоположном направлении.

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. Пуск ШД осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты входного сигнала от нуля до рабочей, торможение - снижением ее до нуля, а реверс -- изменением последовательности коммутации обмоток ШД. Переходного процесса ц(t) в шаговом ЭП при отработке им трех импульсов управления, где ц -- полный угол поворота вала ШД, а б -- единичный (единичный шаг). Из рисунка видно, что переходный процесс отработки заданного перемещения имеет колебательный характер.

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.

Отличительная особенность реактивного ШД заключается в неравенстве числа зубцов статора и ротора причем >. В следствие такой конструкции при каждом переключении обмоток ротор совершает поворот (шаг), равный разности полюсных делений статора и ротора:

б =

Уменьшая разность числа зубцов и можно снизить шаг ротора. На практике эту разность выбирают чётной, что улучшает использование ШД. Для уменьшения шага полюсы статора выполняют с несколькими зубцами.

Реактивные ШД при своей простоте и технологичности имеют существенный недостаток -- незначительные мощность и синхронизирующий момент, что ограничивает их применение. Этот недостаток отсутствует в индукторных ШД в которых для увеличения синхронизирующего момента ротор подмагничивается со сторон статора, с помощью постоянных магнитов или дополнительной о мотки возбуждения.

Выпускается несколько серий ШД с пассивным ротором (Ш, ШДР, ШД, РШД), имеющих шаг от 1,5 до 9°, вращающие моменты от 2,5*10-5 до 10*10-3 Н*м и частоту приемистости от 250 до 1200 Гц.

Развитие дискретного электропривода привело к созданию специальных видов ШД -- линейных, волновых, с малоинерционными катящимся роторами.

На базе цилиндрических линейных ШД созданы двухкоординатные линейно - поворотные ШД, суммирующие на своем валу два независимых движения -- вращательное и поступательное.

Важным достижением в области дискретного электропривода, является создание так называемых многокоординатных ШД, осуществляющих перемещение исполнительных органов по трем координатам в пространстве. Двигатели такого рода, отличаясь высокими точностью позиционирования и скоростью, используются в приводах манипуляторов, роботов и автоматических линий станков.

Схемы управления. 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. 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.

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 (задатчик интенсивности) 1, датчик положения ротора и скорости 7, и цифровой регулятор б.

Регулятор 11 и усилитель 10, связанные с узлом сравнения 9, служат для автоматической стабилизации тока в обмотках ШД и подержания его момента, что существенно улучшает энергетические показатели работы двигателя. Стабилизация тока осуществляется введением отрицательной обратной связи по току, с помощью которой за счет регулирования частоты переключения регулятора (частотно-импульсная модуляция) изменяется среднее значение напряжения питания и тем самым регулируется ток в обмотках ШД.

Задача формирования тока в обмотках ШД решается также при использовании коммутатора 5, обладающего свойствами источника тока. В этом случае отпадает надобность в обратной связи току и блоках 11 и 10.

Для улучшения качества движения ШД при низких частотах повышения точности отработки входных импульсов управления помощью блока 13 уменьшается единичный шаг ШД.

Улучшение динамических свойств дискретного ШД, в частности увеличение диапазона рабочих частот входного сигнала, значительно превышающих частоту приёмистости двигателя, может быть достигнуто введением в схему блока 1, обеспечивающего разгон и торможение двигателя с заданным темпом, при котором еще не происходит пропускание управляющих импульсов. При использовании блока 1 область рабочих частот шагового электропривода может бы увеличена в 2... 3 раза.

Возможности дискретного ЭП расширяются при использовании замкнутых схем управления на основе датчика 7 и регулятора 6. В таком дискретном приводе информация о действительном положении вала и скорости ШД поступает на вход цифрового регулятора б, который обеспечивает заданный характер движения привода. Перспективы дальнейшего развития ЭП с ШД связаны с использованием микропроцессорных средств управления. В этом случае функции всех показанных на рисунке блоков управления, за исключением силового коммутатора, датчиков скорости и положения, выполняет микропроцессор по соответствующей программе. Как говорят в таких случаях, аппаратная реализация схемы управления ШД заменяется более гибкой и функционально богатой -- программной.

Область применения дискретного привода постоянно расширяется. Его используют кроме указанных ранее случаев в резательных и сварочных автоматах, часах, нажимных устройств прокатных станов, лентопротяжных и регистрирующих устройствах, в медицинской технике, в производстве элементов микроэлектроники и др.

Вентильно-индуктивный электропровод

Все более широкое применение находит так называемый вентильно - индукторный электропривод (ВИП), основными достоинствами которого являются простота, технологичность, невысокая стоимость применяемого индукторного электродвигателя, сочетающиеся с широкими регулировочными возможностями. Мощность таких ЭП составляет от единицы до нескольких сотен киловатт и более.

Структурная схема сило вой части ВИП в случае питания его от трехфазной сети переменного тока. В ее состав входят индукторный двигатель ИД, электронный коммутатор К. выпрямитель В, датчик положения ротора двигателя ДП и система управления СУ. Особенность ВИП состоит в применении индукторного двигателя с различным числом полюсов статора и зубцов на роторе (обычно в пределах 4... 12). К примеру возьмём: трехфазный двигатель, имеющий шесть полюсов статора и четыре зубца на роторе. На полюсах статора ИД расположены три обмотки А --а, В--Ь, С--с, подключенные к электронному коммутатору, выполняемому обычно на силовых транзисторах того или иного типа. В качестве управляемых ключей коммутатора используются силовые полярные транзисторы Т1 ... Тб с изолированным затвором типа IGBT. Управление ключами осуществляет схема управления обеспечивающая подачу на них импульсов управления с необходимой последовательностью и частотой, которые определяются сигналами задания скорости Uз.с и датчика положения U д.п

Принцип действия ВИП состоит в следующем. При подаче импульсов управления на пару транзисторов (ключей) одной фазы коммутатор подключает обмотку этой фазы двигателя к выходу выпрямителя В. По обмотке начинает протекать ток, создающий в двигателе магнитное поле. Это магнитное поле вызывает появление электромагнитных сил притяжения между полюсами статор ближайшими к ним зубцами ротора, которые и создают вращающий момент на валу двигателя. Под действием этого момента ротор перемещается в согласованное положение, в котором оси возбужденных полюсов статора и ближайших к ним зубцов ротора будут совпадать.

Так как число полюсов статора и зубцов ротора различно, при согласованном положении ротора с работающей фазой следующая фаза оказывается в рассогласованном положении и подготовленной к очередному подключению, к источнику питания. Требуемая последовательность подключения фаз двигателя к источнику питания, при которой на его валу обеспечивает постоянное направление вращающего момента, осуществляется с помощью находящегося на валу датчика положения.

Скорость вращения ротора определяется формулой:

где -- частота коммутации обмоток; m -- число фаз двигателя; n - число зубцов ротора.

Формула показывает возможность выполнения ВИП с личными скоростями. При высокой частоте коммутации обмоток ИД имеют большие скорости вращения, а большое число полюсов статора и зубцов ротора определяет их низкие скорости. При низких скоростях ИД из кинематической схемы ВИП можно исключить редукторы.

Механические характеристики в разомкнутой структуре ВИП при различных напряжениях питания U. При помощи различных обратных связей могут быть сформированной характеристики, обеспечивающие регулирование координат ЭП требуемым качеством. В ВИП за счет выбора моментов включения и отключения обмоток двигателя может быть реализован и тормозной режим работы. Диоды D1….D6 служат для обеспечения возможности циркуляции электромагнитной мощности ЭП при отключении силовых транзисторов, а конденсатор С играет роль фильтра на выходе выпрямителя.

В современных схемах ВИП широко используются микропроцессорные средства управления, позволяющие в ряде случаев отказаться от применения датчика положения, а необходимую для работы информацию о положении ротора получать косвенным путем. Это позволяет упростить кинематическую схему ВИП и сделать его более простым и надежным.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Москаленко В.В. Электрический привод / В.В. Москаленко - М.: Юрайт - 2000 г.

2. Сивухин Д.В Общий курс физики / Д.В. Сивухин - М.: Юнити-Дана - 1989 г.

3. Липсон Г. Великие эксперименты в физике / Г. Липсон - М.: Статут - 1972 г.

Размещено на Allbest.ru

...