Электромеханические преобразователи

 

1Электромеханические преобразователи  постоянного тока

 

Электрическая машина прошла длинный и сложный путь от физических игрушек и лабораторных приборов до завершенных промышленных конструкций. Однако вначале развитие электрических генераторов и электрических двигателей шло совершенно различными путями, что вполне соответствовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того периода: принцип обратимости электрической машины был открыт в 30-х годах, но его использование в широких масштабах начинается лишь с 70-х годов прошлого века. В связи с этим представляется вполне правомерным рассматривать отдельно историю создания генератора и электродвигателя в период до 1870 г. Поскольку все первые потребители электрической энергии питались исключительно постоянным током и этот род тока был наиболее изучен, то и первые электрические машины были машинами постоянного тока.

Электродвигатели постоянного тока состоят из подвижной части (якоря) и неподвижной части (статора). Они выпускаются с параллельным, последовательным и смешанным соединением обмоток якоря и статора. Достоинством двигателей постоянного тока является способность регулировать частоту вращения, но они требуют значительных усилий при эксплуатации.

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.

Электродвигатели постоянного тока используются для привода подъемных средств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств в качестве тяговых двигателей, обладая по сравнению с электродвигателями переменного тока лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

Металлургические и крановые двигатели постоянного тока предназначены для работы в электроприводах подъемно-транспортных механизмов, металлургических агрегатов. Экскаваторные двигатели постоянного тока предназначены для работы на механизмах экскаваторов в продолжительном, кратковременном и повторно-кратковременном режимах.

Этот тип двигателей ранее применялся очень широко, но в настоящее время он почти полностью вытеснен асинхронными электродвигателями, по причине сравнительной дешевизны применения последних. Новым направлением в развитии двигателей постоянного тока являются вентильные двигатели постоянного тока с якорем на постоянных магнитах.

 

2 Синхронные двигатели

 

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Наиболее частым исполнением является такое исполнение, при котором якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов - электромагнитов

 

3 Асинхронные двигатели

Рисунок 2 - Асинхронный электродвигатель

 

Асинхронная машина - это электрическая машина <#"justify">Меняя частоту и скважность подводимого к статору напряжения, можно менять скорость вращения и момент на валу двигателя. Наиболее часто используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Ротор выполняется из алюминия, что снижает его вес и стоимость.

Достоинства:

1.Лёгкость в изготовлении.

2.Отсутствие механического контакта  со статической частью машины.

Недостатки:

1.Небольшой пусковой момент.

2.Значительный пусковой ток.

В настоящее время, это наиболее часто используемый тип двигателей. Основной способ борьбы с недостатками асинхронного двигателя - это применение частотного привода. Частотный привод преобразует напряжение сети 220/380В в импульсное напряжение переменной частоты и скважности. Тем самым удается в широких пределах менять частоту оборотов и момент на валу двигателя и избавиться практически от всех его врожденных недостатков. Единственная «ложка дегтя» в этой «бочке меда», это высокая цена частотного привода, но на практике все затраты окупаются в течение года!

 

4 Серводвигатели

 

Серводвигатели созданы для применений, имеющие высокие требования к динамике перемещения. Применение постоянных магнитов в качестве возбуждения со стороны ротора уменьшает его момент инерции, а так же облегчает отдачу тепла, так как основная мощность выделяется на статоре двигателя и отдается в окружающую среду посредством естественного либо принудительного охлаждения.

Основные преимущества синхронных серводвигателей по отношению к асинхронным - высокая динамика, точность позиционирования и удельная мощность.

Так же синхронные серводвигатели имеют достаточно высокую номинальную скорость вращения - до 6000 об/мин.

Сравнение удельной мощности асинхронных и синхронных двигателей (отношение мощности к объему двигателя) показывает, что удельная мощность синхронных двигателей в 1.5-3 раза больше удельной мощности асинхронных.

Эти двигатели занимают особую нишу, они применяются там, где требуются прецизионные изменения положения и скорости движения. Это космическая техника, роботостроение, станки с ЧПУ и т.д.

Такие двигатели отличаются применением якорей малого диаметра, т.к. малый диаметр это малый вес. За счет малого веса удается добиться максимального ускорения, т.е. быстрых перемещений. Эти двигатели обычно имеют систему датчиков обратной связи, что позволяет увеличить точность движения и реализовать сложные алгоритмы перемещений и взаимодействия различных систем.

 

Рисунок 3 - Серводвигатель 1FT6 со встроенным датчиком могут работать на линейке приводов SINAMICS S.

 

5 Линейные асинхронные двигатели

 

Линейный асинхронный двигатель создает магнитное поле, которое перемещает пластину в двигателе. Точность перемещения может составлять 0.03 мм на один метр перемещения, что в три раза меньше толщины человеческого волоса! Обычно пластина (ползун) прикрепляется к механизму, который должен передвигаться.

Такие двигатели имеют очень большую скорость перемещения (до 5 м/с), а следовательно высокую производительность. Скорость перемещения и шаг можно менять. Так как в двигателе минимум движущихся частей, он имеет высокую надежность.

.6 Мотор-ролики

 

Конструкция таких роликов довольно проста: внутри ведущего ролика находится миниатюрный электродвигатель постоянного тока и редуктор. Мотор ролики применяются на различных конвейерах и сортировочных линиях.

Преимущества мотор-роликов - это низкий уровень шума, более высокий кпд по сравнению с внешним приводом, мотор-ролик практически не нуждается в техобслуживании, поскольку он работает только когда нужно переместить конвейер, его ресурс очень большой. Когда такой ролик выйдет из строя, его можно заменить другим за минимальное время.

 

7 Вентильные электродвигатели

 

 

Вентильным называют любой двигатель, в котором регулирование режимов работы производится с помощью полупроводниковых (вентильных) преобразователей. Как правило, это синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов. Статор двигателя управляется при помощи инвертора с микропроцессорным управлением. Двигатель оснащен системой датчиков, для осуществления обратной связи по положению, скорости и ускорению.

Основные достоинства вентильных электродвигателей это:

. Бесконтактность и отсутствие  узлов, требующих обслуживания,

. Высокий ресурс;

. Большой пусковой момент и  большая перегрузочная способность  по моменту в (5 и более раз);

. Высокое быстродействие по  переходным процессам;

. Огромный диапазон регулировок  по частоте вращения 1:10000 и более, что минимум на два порядка  выше, чем у асинхронных двигателей;

. Самые лучшие показатели по  КПД и cos, их КПД на всех нагрузках превышает 90%. В то время, как у асинхронных двигателей КПД на половинных нагрузках может падать до 40-60%!

. Минимальные токи холостого  тока и пусковые токи;

. Минимальные массогабаритные  показатели;

. Минимальные сроки окупаемости.

По конструктивным особенностям такие двигатели делятся на два основных типа: бесконтактные двигатели постоянного и переменного токов.

Главным направлением совершенствования вентильных электродвигателей в настоящий момент является разработка адаптивных бездатчиковых алгоритмов управления. Это позволит снизить себестоимость и повысить надежность таких приводов.

Ежегодные электротехнические выставки наглядно демонстрируют постоянный рост количества фирм, стремящихся освоить это направление. Лидеры этого рынка как всегда Siemens AG, General Electric, Bosch Rexroth AG, Ansaldo, Fanuc и др.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 - Вентильный электродвигатель

 

8 Сопоставление достоинств и  недостатков электромеханических  преобразователей

 

Рассмотрев основные типы и виды электромеханических преобразователей можно сделать вывод, что на данный момент бурное развитие получают системы электродвигателей переменного тока, а именно асинхронные двигатели. Обеспечивается это главным образом тем, что данный вид двигателей имеет ряд преимуществ по сравнению с другими:

. простота конструкций;

. сравнительно низкая себестоимость

. широкая область применения

. совершенствование способов управления  двигателем