Електрозадвижвания

Тенденции в развитието на двигателите, съвременни възможности на системите

   Едва ли някой би поставил под съмнение факта, че развитието на електрозадвижванията е в посока лесна комуникация и автоматична настройка на сервосистемите в реално време. Необходимостта от висококвалифицирани специалисти за обслужване на системите все повече се минимизира, тъй като вече не е нужно дълбоко познаване на процесите, протичащи в сервозадвижването. Все повече функции, реализирани в сервозадвижването, се изпълняват в реално време. Една от тези функции е автоматичната настройка на параметрите на сервосистемата спрямо постоянно изменящия се товар.
За да функционира коректно алгоритъмът на управление и автоматична настройка
е важно точното съотношение на инерционния момент на ЕД и задвижвания механизъм да е добре известно. Използваният начин за определянето му трябва да е универсален по отношение на различните механични системи, както и да предлага възможност за корекции по време на работа на системата. Това означава, че параметрите трябва да се определят в реално време и в практически условия. Изходни данни за определяне на дадено съотношение са очакваните стойности на тока и скоростта. Следва да се отчетат и възможните смущения, например много високо триене или много интензивно време за набиране на обороти или спиране. Разчетните стойности на съотношението между инерционния момент на ЕД и товара може силно да се отличават от реалните показания. Традиционните алгоритми за автоматична настройка в такива условия се характеризират с неудовлетворителни резултати. Това е причината да се практикува ръчна корекция на параметрите. Добре е да се има предвид, че алгоритъмът на автоматична настройка, разработен от водещи фирми в отрасъла, съществено се отличава от традиционно използвания. Той ефективно идентифицира и определя оптималния режим на работа, което позволява да се изключат грешки при разчет и човешкият фактор при коригиране на параметрите. От тази гледна точка, практически не съществува ограничение в областта на автоматичния алгоритъм за настройка, дори и от гледна точка на динамичните свойства на механизмите. Обезпечава се много качествено регулиране както при товар с резки изменения на момента, така и за високофрикционни товари.

Намаляване разходите за електроенергия
При използване на сервосистема се подобряват условията на работа на електродвигателя и механизмите, благодарение на плавната и безударна работа, без пускови претоварвания, и ограничаването на тока в намотките на електродвигателя. Следователно, приложението на сервосистеми води не само до понижаване разходите за електроенергия, но и спомага за удължаване живота на оборудването. На практика, обаче, все още значителен процент от електродвигателите (ЕД) с мощност до 2,2 kW се използват без сервозадвижване. Съвременните сервозадвижвания се развиват динамично и се характеризират с широк спектър на предлаганите технически решения. Направени проучвания свидетелстват, че броят на произведените електродвигатели в световен мащаб е огромен, а делът на консумираната от тях електроенергия значителен. Преди промяната в световната икономическа конюнктура, пазарът на електрически машини бележеше сериозен ръст, а финансовото му изражение се измерваше в милиарди долари. В частност, пазарът на електрозадвижвания също се развиваше във възходяща посока. За моментната ситуация е много трудно, дори невъзможно, да се направят достатъчно точни обобщения - всичко зависи от региона и конкретния производител.

Тенденции в конструкцията на серводвигателите
Специфичните условия на работа на серводвигателите и разнообразните изисквания към тях оказват влияние върху конструкцията им. Тенденция в развитието им е редица части да се обединят конструктивно с цел постигане на по-голяма надеждност. Например, електродвигател-инвертор и сервоусилвател-двигател.
Техническият прогрес и конкуренцията са движещите сили в развоя на системи с по-висока производителност и степен на автоматизация. При това изискванията към сервозадвижванията по отношение на параметри като диапазон на регулиране на честотата на въртене, точност на позициониране, претоварваща способност и др., непрекъснато се увеличават. Друга насока е недопускане прегряване на двигателя. Известно е, че прегряването е различно за различните топлинни класове. Например, за двигатели от клас В максималната температура е 130 0С, за клас F - 155 0С, а вече е достигнат и клас Н - със 180 0С. Инвестира се в посока серводвигателите да достигнат клас С (230 0С), характерни за които са значително намалените габарити.

Подобряване на динамичните характеристики
Съвременните сервозадвижващи системи се отличават с много широка приложна област. Например, автоматични производствени линии, отделни системи за управление, роботи-манипулатори и много други прецизни устройства. Те са високофункционални устройства, отличаващи се с уникални технически характеристики. Предлагат се и модели, специално разработени за използване в тежки производствени условия. Използването на съвременни контролери съществено облекчава реализацията на системата за управление на сервозадвижването. Съкращава се времето, необходимо за разработка и тестване.
Разработването на нови електроматериали промени значително ситуацията в областта на сервозадвижванията. Последните достижения позволяват да се компенсира сложността на променливотоковите управления с помощта на мощни микроконтролери и бързодействащи високоволтови силови транзистори. Използването на постоянни магнити от рядкоземни елементи съществено подобри характеристиките на синхронните електродвигатели с магнити в ротора, едновременно с което доведе до намаляване на габаритните им размери. Развитието им бе и в посока подобряване на динамичните характеристики на двигателите. Друга тенденция включва прехода към асинхронни и синхронни ЕД. Тя е особено забележима в областта на сервосистемите, които традиционно се изпълняваха на базата на постояннотокови ЕД.

Безколекторни постояннотокови двигатели
Основна насока в техническото развитие на сервозадвижващите системи е свързана с усъвършенстването на постояннотоковите ЕД. Редица водещи производители инвестират в разработването на безколекторни DC електродвигатели. В резултат на вложените усилия са разработени т.нар. безколекторни DC ЕД, принципът на действие на които е различен от традиционно произвежданите конвенционални постояннотокови електродвигатели.
В конструкцията на безколекторния DC ЕД възбуждането на ротора е с индуктор, а статорът е изпълнен с електрическа котва. Като принцип на действие, този тип ЕД са синхронни. Характерно за тях е, че за определяне на текущото положение на ротора се използва енкодер за позиция. Основното им предимство е ниското ниво на износване на електрическите части, дължащо се на електронната комутация. По принцип, електронната комутация на генерирания в статорната намотка ток се извършва на всеки 60 електрически градуса и се контролира от позиционен енкодер.
Други характеристики на безколекторните DC ЕД са:
l Нисък инерционен момент, вследствие от използването на ненавит ротор;
l Опростено охлаждане;
l По-висока ефективност на работа на двигателя, поради отсъствието на загуби от възбудителната намотка.

Развитие на  АС двигателите
Паралелно с техническото развитие на постояннотоковите ЕД се наблюдава аналогичен процес на усъвършенстване на съществуващите и развой на нови променливотокови технологии. Резултатът е създаване на променливотокови ЕД с накъсо съединен ротор, които широко се използват в съвременните сервозадвижващи системи. Сред предимствата им са ниските му производствени разходи.
Друга насока в техническото развитие на сервотехнологиите е свързана с разработването на т.нар. задвижвания със синусоидална комутация. Като принцип на работа, този тип ЕД е синхронен с постоянно магнитно поле. Предимствата на ЕД със синусоидална комутация са аналогични на характерните за безколекторни DC електродвигатели. За разлика от тях обаче, позиционният енкодер на ротора е резолвер (датчик за положение), чрез изходния сигнал на който се регулира синусоидалният статорен ток.

Честотният инвертор и контролерът - важна част от системата
С бурното навлизане на автоматизацията в областта на машиностроенето и уредостроенето, електрическите сервозадвижвания се използват все по-широко, а машинните механизми са все по-опростени и унифицирани, но за сметка на това - с по-добри технически параметри. Борбата за по-голям пазарен дял е движещата сила за развитието на сервосистемите, но също така е и пречка за създаване на обща концепция за бъдещото им развитие. В момента всички водещи фирми инвестират в усъвършенстване на използваните електродвигатели - безколекторни ЕД, безколекторни постояннотокови ЕД, променливотокови двигатели с накъсо съединен ротор, синхронни ЕД със синусоидална комутация. Независимо от конкретния тип, електрозадвижването се захранва задължително с честотен инвертор и контролер. Вграждането им позволи реализацията на много функции, сред които непрекъснат контрол на сервосистемата и архив на данни, записани в енергонезависима памет, периодично тестване на цялата система, включително на ЕД.

Възможности за дистанционна настройка
Характерна за съвременните сервосистеми е лесната им настройка, включително и дистанционно. Отпадането на съгласуващия трансформатор и свързване на сервосистемата директно към захранващата мрежа става възможно, благодарение на новите полупроводникови прибори IGBT, MOSFET транзистори и тиристори GTO, IGCT и SGCT. Всички съвременни сервосистеми могат да се присъединят към интелигентни автоматизирани производствени системи. Често необходимият софтуер за работата на сервосистемите се разработва с оглед изпълнение на конкретните технически задачи.
Освен в областта на машиностроенето, сервосистемите се използват широко в индустриалната роботизация, вътрешнозаводския транспорт на материали и автоматизираните поточни линии.
В резултат на достиженията в микропроцесорната техника и усвоеното производство на мощни ключови транзистори и тиристори, приложната област на сервозадвижванията непрекъснато се разширява.