Введение в специальность электропривод и автоматика

Содержание:

Введение________________________________________________________3

1 Классификация  электрических машин______________________________3

2 Асинхронный  электропривод_____________________________________ 5

3 Синхронный  электропривод______________________________________ 7

4 Электропривод  с вентильным двигателем___________________________8

5 Электропривод  с шаговым двигателем_____________________________ 9

5.1 Принцип действия  и основные свойства шагового  двигателя________ 10

5.2 Схемы управления  шаговым двигателем_________________________ 12

6 Коллекторный  электропривод___________________________________  14

Список использованных источников________________________________16

 
Введение

XXI век - это  мир техники. Могучие машины  добывают из  недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции вырабатывают   миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Телеграф, телефон и радио соединяет нас со всем миром. Поезда, теплоходы, самолеты  с большой скоростью переносят нас через материки и океаны. Все  это действует не без помощи электричества и электропривода.

Электропривод представляет собой электромеханическую  систему, состоящую из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

Современное машинное устройство или, как его называют иначе, производственный агрегат состоит из большого числа разнообразных деталей, отдельных машин и аппаратов, выполняющих различные функции. Все они в совокупности совершают работу, направленную на обеспечение определенного производственного процесса.

1 Классификация  электрических машин

Электрические машины — электромеханические преобразователи — можно разделить на три класса: индуктивные электрические машины, в которых рабочим полем является магнитное поле; емкостные электромеханические преобразователи, в которых преобразование электрической энергии в механическую и обратно осуществляется электрическим полем, и индуктивно-емкостные электромеханические преобразователи, в которых электромеханическое преобразование осуществляется магнитным и электрическим полями. Принципиальные схемы электромеханических преобразователей показаны на рисунке 1 [1].

Рисунок 1 –  Принципиальные схемы электропривода

В индуктивных  электромеханических преобразователях электромеханическое преобразование энергии происходит за счет изменения индуктивности (потокосцеплений) обмоток, а в емкостных электромеханических преобразователях—за счет изменения емкости. Индуктивно-емкостные электромеханические преобразователи в простейшем случае представляют собой объединение в одну электромеханическую систему движущихся частей и электрических цепей индуктивной и емкостной машин (рисунок 1).

По режиму работы электрические машины делятся на генераторы и двигатели.

В генераторах  механическая энергия, подводимая к валу машины, преобразуется в электрическую энергию. В двигателях электрическая энергия преобразуется в механическую энергию.

Одна и та же электрическая машина может работать и двигателем, и генератором. Однако у генераторов и двигателей обычно имеются конструктивные отличия, и на заводском щите машины указывается режим работы.

Хотя электромеханические преобразователи с электрическим рабочим полем появились раньше индуктивных, они как силовые электромеханические преобразователи не нашли промышленного применения. Сделаны пока лишь робкие попытки создания индуктивно-емкостных электромеханических преобразователей при использовании магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов.

Все разновидности  индуктивных электрических машин  по роду питания можно разделить на машины переменного и постоянного тока.

Машины переменного  тока делятся на синхронные и асинхронные (несинхронные), коллекторные машины переменного тока и трансформаторы.

В синхронных машинах  угловая скорость ротора ω_р и угловая скорость магнитного поля ω_с с равны друг другу.

В асинхронных  машинах угловая скорость ротора не равна угловой скорости поля: ω_р≠ω_с. При этом ω_р может быть меньше или больше угловой скорости поля. Направления вращения ротора и поля статора могут быть противоположны.

Коллекторные  машины переменного тока отличаются от асинхронных и синхронных машин тем, что имеют механический преобразователь частоты и числа фаз — коллектор, который соединен с обмоткой статора или ротора.

Трансформаторы  — электромагнитные преобразователи энергии. В них не происходит преобразования электрической энергии в механическую и обратно, а имеет место преобразование электрической энергии одного вида в другой. Трансформаторы выполняются таким образом, что обмотки не могут перемещаться относительно друг друга.

Синхронные  машины могут работать в режиме потребления или отдачи в сеть реактивной мощности. Такие машины называются синхронными компенсаторами.

Электрические машины, как правило, выполняются с одной вращающейся частью — ротором и неподвижной частью — статором. Когда вращается только ротор, машина имеет одну степень свободы. Такие машины называются одномерными.

Электромагнитный  момент в электрических машинах приложен и к ротору, и к статору. Если дать возможность вращаться обеим частям машины, они будут перемещаться в противоположные стороны. У машины, в которой может вращаться и ротор, и статор, — две степени свободы. Это двухмерные машины. В навигационных приборах ротором может быть шар, который вращается двумя статорами, расположенными под углом 90°. Такие машины имеют три степени свободы. В космической электромеханике приходится рассчитывать шестимерные электромеханические системы, в которых статор и ротор имеют три степени  свободы [1].

2 Асинхронный  электропривод

Асинхронный электродвигатель, электрическая асинхронная машина для преобразования электрической энергии в механическую. Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля, ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю.

Впервые явление, названное магнетизмом вращения, продемонстрировал французский  физик Д. Ф. Араго (1824). Он показал, что  укрепленный на вертикальной оси  медный диск начинает вращаться, если вращать над ним постоянный магнит. Спустя 55 лет, 28 июня 1879, английский ученый У. Бейли получил вращение магнитного поля поочередным подключением обмоток 4 стержневых электромагнитов к источнику постоянного тока. В работах М. Депре (Франция, 1880—1883), И. Томсона (США, 1887) и др. описываются устройства, основанные также на свойствах вращающегося магнитного поля. Однако строгое научное изложение сущности этого явления впервые, практически одновременно и независимо друг от друга, было дано в 1888 итальянским физиком Г. Феррарисом и хорватским инженером и ученым Н. Тесла.

Двухфазный  асинхронный электродвигатель, был  изобретен Н. Тесла в 1887, публичное  сообщение об этом изобретении он сделал в 1888. Распространения этот тип  асинхронного двигателя не получил главным образом из-за плохих пусковых характеристик. В 1889 М. О. Доливо-Добровольский испытал сконструированный им первый в мире трехфазный асинхронный двигатель, в котором применил ротор типа «беличье колесо», а обмотку статора разместил в пазах по всей окружности статора. В 1890 Доливо-Добровольский изобрел фазный ротор с кольцами и пусковыми устройствами). Через 2 года им же была предложена конструкция ротора, названная «двойной беличьей клеткой», которую, однако, стали широко применять только с 1898 благодаря работам французского инженера П. Бушеро, представившего асинхронный электродвигатель с таким ротором, как двигатель со специальными пусковыми характеристиками.

Конструктивное  оформление асинхронного электродвигателя, их мощность и габариты зависят от назначения и условий работы.

Например, двигатели  с воздушным и водяным охлаждением (общего применения); герметичные, маслонаполненные (для электробуров) и взрывобезопасные (для работы в шахтах, взрывоопасных  помещениях и др.); пыле-, брызгозащищенные (для применения в морских условиях и тропическом климате) и т. д. Некоторые виды асинхронных двигателей (например, шаговые, для следящих систем, схем автоматики и телемеханики, со ступенчатой регулировкой скорости и пр.) разрабатываются и выпускаются комплектно с блоками управления и пускозащитной аппаратурой, с встроенными редукторами. Трехфазные асинхронные электродвигатели сравнительно с однофазными обладают лучшими пусковыми и рабочими характеристиками. Основные конструктивные элементы асинхронных двигателей: статор — неподвижная часть (рисунок 2а) и ротор — вращающаяся часть (рисунок 2б,в). В соответствии со способом выполнения роторной обмотки асинхронного мотора делятся на двигатели с контактными кольцами и короткозамкнутые. Воздушный зазор между статором и ротором у асинхронного электромотора делается по возможности малым (до 0,25 мм). Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя зависит от частоты вращения магнитного поля статора и определяется частотой питающего тока и числом пар полюсов двигателя [2].

Рисунок 2 –  Схема асинхронного двигателя [3].

При пуске асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором возникает пусковой ток, сила которого превышает силу номинального тока в 4—7 раз. Поэтому прямое включение в сеть применяется только для моторов мощностью до 200 кВт. Более мощные асинхронные электромоторы с короткозамкнутым ротором включают сперва на пониженное напряжение, чтобы сила пускового тока снизилась в 3—4 раза. С этой же целью применяют пуск асинхронного двигателя через автотрансформатор, включенный на время пуска последовательно с обмоткой статора. Силу пускового тока двигателей с фазным ротором ограничивают пусковым сопротивлением в цепи ротора, которое в процессе разбега ротора постепенно уменьшают. После запуска асинхронного электродвигателя обмотку ротора замыкают накоротко. Для уменьшения потерь на трение и износа щеток их обычно поднимают щеткоподъемным приспособлением, которое перед этим замыкает накоротко обмотку ротора через кольца.

Частоту вращения асинхронного электромотора регулируют в основном изменением числа пар  полюсов, сопротивления, включенного  в цепь ротора, изменением частоты  питающего тока, а также каскадным  включением нескольких машин. Направление  вращения асинхронного электромотора изменяют переключением любых двух фаз обмотки статора.

Асинхронный электродвигатель благодаря простоте в производстве и надежности в эксплуатации широко применяют в электрическом приводе. Основные недостатки асинхронного двигателя  — ограниченный диапазон регулирования частоты вращения и значительное потребление реактивной мощности в режиме малых нагрузок. Создание регулируемых статических полупроводниковых преобразователей частоты существенно расширяет область применения асинхронного двигателя в автоматических регулируемых электроприводах [3].

3 Синхронный  электропривод

Важным достоинством синхронных машин является их способность экономичного генерирования и потребления реактивной мощности, так как они возбуждаются постоянным током. Поэтому они используются как генераторы на электростанциях, а также как компенсаторы. В специальных приводах синхронные машины используются и в качестве двигателей. Из-за наличия системы возбуждения электромагнитные процессы в синхронной машине сложны, и еще сложнее эти процессы протекают в случае применения двух обмоток возбуждения, дающих возможность существенно улучшить рабочие свойства машины, повысить ее устойчивость, энергетические показатели [12].

Схема неявнополюсной синхронной машины основного исполнения представлена на (рисунке 3). Обмотка якоря 1 расположена в пазах статора, а обмотка возбуждения 2— на роторе. Демпферной обмоткой являются пазовые клинья и стальной массивный ротор 3. Мощность возбуждения составляет несколько процентов мощности машины, поэтому в этом исполнении щеточный аппарат работает надежно, а так как в обмотке возбуждения протекает постоянный ток, для его подвода требуются два кольца и две щетки.

Рисунок 3 –  Схема синхронного двигателя [1]

Переходные  процессы в ЭП с СД отличаются большим разнообразием и сложностью. Они возникают при пуске и торможении (остановке) 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 [1].

В общем случае переходные процессы в синхронном ЭП являются электромеханическими, т. е. процессы в электрической и механической частях ЭП связаны друг с другом и имеют, как правило, колебательный  характер [4].

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

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.