Электропривода с синхронным двигателем

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.

В качестве примера показаны графики  колебательно затухающего переходного

процесса при вхождении СД в  синхронизм.

           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 sinα,

где α – 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 α = 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.