Електрически сервозадвижващи системи

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2005

Фиг. 1Фиг. 2Фиг. 3Фиг. 4

Серводвигатели, системи за обратна връзка и управление на задвижванията

Статията е продължение на публикувания в предишния брой на сп. Инженеринг ревю редакционен материал, посветена на предназначението и тенденциите в развитието на сервозадвижващите системи. Тема на настоящата статия са най-широко разпространеният в съвременната индустрия вид сервозадвижващи системи - електрическите. Материалът разглежда основните видове електрически сервозадвижващи двигатели, базовите критерии за избора им, системите за обратна връзка и схемите за управление.

Електрически серводвигатели

Във функцията на основен конструктивен възел на съвременните електрически сервозадвижващи системи се използват два базови типа електродвигатели - колекторни и безколекторни. На фиг. 1 са показани в схематичен вид основните типове колекторни и безколекторни електродвигатели, на базата на които се конструират електрическите сервозадвижващи системи. Въпреки съществуващото многообразие от конструкции, най-широко приложение в съвременната индустрия намират три основни вида електрически серводвигатели:

  • асинхронни двигатели с накъсо съединен ротор и с регулиране на възбуждането;
  • синхронни безколекторни DC двигатели - с блоков тип комутация;
  • синхронни безколекторни AC двигатели - със синусоидална комутация.

Асинхронен двигател с накъсо съединен ротор и с регулиране на възбуждането. Наричат се накратко променливотокови серводвигатели. Като конструкция и режим на работа този тип двигател съответства на добре познатите трифазни асинхронни двигатели с накъсо съединен ротор. В ролята на двигател от електрическа сервозадвижваща система променливотоковите серводвигатели се проектират с нискоинерционен ротор с ограничено хлъзгане. Оборудват се с управляваща система, която осигурява перпендикулярност на магнитните потоци на ротора и статора. Друга специфика на AC серводвигателите е възможността за използването им във високодинамични приложения, благодарение на поддържаните високи стойности на въртящия момент.

Недостатък на асинхронния двигател с накъсо съединен ротор в сравнение с електрическите машини с постоянно магнитно поле е по-ниската им ефективност и сравнително по-големите им габаритни размери за един и същ въртящ момент. Друг недостатък на променливотоковите серводвигатели са зависещите от тока загуби в ротора. Вследствие от по-високите загуби (коефициента на полезно действие h) и изискванията по отношение на намагнитването (фактора на мощността cosj), при асинхронните машини се налага използването на инвертор с по-висока мощност, зависеща от съотношението: 1/(h. cosj). Специфика е и необходимостта от отчитане на топлинното разсейване при поддържане на ниски скорости. За подобни приложения асинхронните серводвигатели с накъсо съединен ротор се оборудват с вентилатор или скоростен регулатор.

Скоростните характеристики на асинхронен серводвигател са показани на фиг. 2. С позиция (1) е означено графичното изменение на оборотите на въртене на двигателя спрямо въртящия момент, при постоянна стойност на последния. С позиция (2) е показана графиката при максимален въртящ момент. Графиката представлява обвиващата крива, зависеща от DC напрежението на инвертора. С номер (3) е показана характеристиката на асинхронен двигател стандартно изпълнение.

Инвестицията за закупуване на сервозадвижване с асинхронен двигател е значително по-голяма в сравнение с други видове системи. Основание за по-високата им цена е използването на скъпи устройства като енкодер с висока разделителна способност и високоефективен микропроцесор. За оптималното функциониране на този тип двигатели е необходимо процесорът непрекъснато да изчислява статорния ток от текущото положение на ротора и изисквания въртящ момент. В близкото минало асинхронните серводвигатели са използвани като основни задвижвания в приложения от областта на металообработващите машини, изискващи висока производителност. Поради непрекъснатото поевтиняване на електронните компоненти, се наблюдава тенденция към намаляване цената на сервозадвижванията, конструирани на базата на асинхронни двигатели с накъсо съединен ротор, което свидетелства за разширяване на обхвата им на приложение.

Синхронен двигател. Често се отнасят към двигателите с електронна комутация или безколекторните DC двигатели. Счита се, че този тип двигатели изпълняват в най-висока степен специфичните изисквания, поставяни към сервозадвижващите системи. Конструкцията на статора е подобна на използваната при асинхронните двигатели. Роторът при синхронните сервомашини е пластинчат с присъединени чрез сцепление магнити, които поддържат постоянно магнитно поле. Стандартното изпълнение на двигателя е със затворен кожух, имащ степен на защита IP54 и вентилаторно охлаждане. Съществуват различни видове синхронни двигатели в зависимост от използваните методи на възбуждане, комутационните техники, индуцирането на тока, както и типа и внедряването на системите за обратна връзка. В сервозадвижващите системи намират приложение два основни вида синхронни двигателя:

Синхронен двигател с комутация от блоков тип/безколекторен DC двигател. Променливотоковите синхронни двигатели с постоянно магнитно поле и блоков тип комутация са познати под наименованието безколекторни DC двигатели. При комутацията от блоков тип изходната мощност на двигателя се контролира чрез използването на позиционен енкодер на ротора (RLG). Конструктивно тези енкодери са базирани на сензори на Хол, фотоелектрични или друг вид сензори. Важно предимство на блоковата комутация е сравнително елементарното генериране на сигналите за позиция и преобразуването им в управляващи сигнали за тока. Специфика на блоковата комутация е, че през две съседни фази на двигателя във всеки момент от времето протича ток. Възбуждането на токове в намотките на двигателя резултира в индуцирането на трапецовидни напрежения, вследствие от което плътността на потока във въздушната междина е с правоъгълно разпределение. По тази причина сихронните двигатели с блоков тип комутация поддържат постоянен въртящ момент. Освен енкодер за позицията на ротора, при този тип двигатели се използва и безколекторен тахогенератор за определяне на скоростта. На фиг. 3 е показана структурна схема на управляващата система на синхронен двигател с блокова комутация. Както е видно, за всяка регулирана променлива се използва енкодер, плюс съответното окабеляване.

Синхронен двигател със синусоидална комутация/безколекторен AC двигател. Синусоидалната комутация е изградена на базата на аналогични на блоковия тип комутация принципи. Основната разлика се състои във факта, че през трите фази на двигателя едновременно протича ток и, че съответно токът, индуцираното напрежение и магнитният поток са синусоидални. Това осигурява стабилност на въртящия момент и скоростта на въртене, дори в нискоскоростния обхват. Об




Новият брой 2/2017

брой 2-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top