Синхронные и шаговые двигатели

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

1.Синхронный двигатель и его устройство

2.Виды синхронных двигателей: принцип действия и характеристики

3. Шаговые двигатели

4. Применение синхронных и шаговых двигателей

Список использованной литературы



Введение

Исключительное значение электротехники в наши дни объясняется тем, что средствами электротехники относительно просто решаются важнейшие технические проблемы во всех отраслях (промышленности, быту, транспорте, передачи информации, медицине и т.д.) например передача на дальние расстояния и преобразование больших количеств энергии и передача сигналов на практически неограниченные расстояния.

Электротехническая промышленность выпускает в год миллионы электрических машин для всех отраслей народного хозяйства. И конечно же от специалистов в области электромеханики требуются глубокие знания обслуживания и ремонта электрических машин, а также их правильной эксплуатации. Без электрических машин не может развиваться ни одна комплексная научная программа. Электрические машины работают в космосе и глубоко под землей, в океане и активной зоне атомных реакторов, в животноводческих помещениях и медицинских кабинетах. Без преувеличения можно сказать, что электромеханика определяет технический прогресс в большинстве основных отраслей промышленности.

Прогресс в развитии электромашиностроения зависит от успехов в области теории электрических машин. Глубокое понимание процессов электромеханического преобразования энергии необходимо не только инженерам-электромеханикам, создающим и эксплуатирующим электрические машины, но и многим специалистам, деятельность которых связана с электромеханикой.

Возникновение электротехники как прикладной науке предшествовал довольно длительный период (начиная примерно с 16 века) накопления знаний об электричестве и магнетизма.

Начало практическому примеру электрического освещения положило изобретение в 1876 году П.Н. Яблочковым электрической свечи. Им же впервые был внедрен в практику переменный ток, осуществлено “дробление” электрической энергии посредствам трансформаторов с централизованного производства и распределения электроэнергии. 

Работы М.О. Даливо-Добровольского, который изобрел трехфазный трансформатор и асинхронный двигатель (1889-1891 г.) и детально разработавшего технику трехфазной системы, которая по сегодняшний день остается основным способом передачи и распределения электроэнергии на всем земном шаре.

Электроэнергия является стержнем строительства экономики современного общества, играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в осуществлении всего технического процесса.

В настоящее время перед электромеханиками стоят трудные и интересные проблемы, которые требуют глубокого знания теории, проектирования и технологии изготовления электрических машин.



1. Синхронный двигатель, его устройство

В отличие от асинхронного двигателя частота вращения синхронного двигателя постоянная при различных нагрузках. Синхронные двигатели находят применение для привода машин постоянной скорости (насосы, компрессоры, вентиляторы).

Рис.1.1 Устройство синхронного двигателя небольшой мощности:

1 - корпус; 2 - сердечник статора; 3 - обмотка статора; 4- ротор;

5 - вентилятор; 6 - выводы обмотки статора; 7 - контактные кольца;

8 - щетки; 9 - возбудитель.

В статоре синхронного электродвигателя размещается обмотка 3, подключаемая к сети трехфазного тока и образующая вращающееся магнитное поле. Ротор 4 двигателя состоит из сердечника с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения 3 через контактные кольца подключается к источнику постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитное поле, намагничивающее ротор.

Роторы синхронных машин могут быть явнополюсными (с явновыраженными полюсами) и неявнополюсными (с неявновыраженными полюсами). На рис. 1.2а изображен сердечник 1 явнополюсного ротора с выступающими полюсами. На полюсах размещены катушки возбуждения 2. На рисунке 1.2б изображен неявнополюсной ротор, представляющий собой ферромагнитный цилиндр 1. На поверхности ротора в осевом направлении фрезеруют пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения 2.

Рис. 1.2

2. Виды синхронных двигателей: принципы действия, и характеристики

Рассмотрим принцип работы синхронного двигателя на модели (рис. 2.1).

Рис. 2	Вращающееся магнитное поле статора представим в виде магнита 1. Намагниченный ротор изобразим в виде магнита 2. Повернем магнит 1 на угол б. Северный магнитный полюс магнита 1 притянет южный полюс магнита 2, а южный полюс магнита 1 - северный полюс магнита 2. Магнит 2 повернется на такой же угол б. Будем вращать магнит 1. Магнит 2 будет вращаться вместе с магнитом 1, причем частоты вращения обоих магнитов будут одинаковыми, синхронными, n2 = n1.

Синхронный двигатель, на роторе которого отсутствует обмотка возбуждения, называется синхронным реактивным двигателем.

Ротор синхронного реактивного двигателя изготавливается из ферромагнитного материала и должен иметь явновыраженные полюсы. Вращающееся магнитное поле статора намагничивает ротор. Явнополюсный ротор имеет неодинаковые магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям полюса. Силовые линии магнитного поля статора изгибаются, стремясь пройти по пути с меньшим магнитным сопротивлением. Деформация магнитного поля вызовет, вследствие упругих свойств силовых линий, реактивный момент, вращающий ротор синхронно с полем статора.

Если к вращающемуся ротору приложить тормозной момент, ось магнитного поля ротора повернется на угол и относительно оси магнитного поля статора.

С увеличением нагрузки этот угол возрастает. Если нагрузка превысит некоторое допустимое значение, двигатель остановится, выпадет из синхронизма. У синхронных двигателей отсутствует пусковой момент. Это объясняется тем, что электромагнитный вращающий момент, воздействующий на неподвижный ротор, меняет свое направление два раза за период Т переменного тока. Из-за своей инерционности, ротор не успевает тронуться с места и развить необходимое число оборотов.

В настоящее время применяется асинхронный пуск синхронного двигателя. В пазах полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка.

Вращающее магнитное поле статора индуктирует в короткозамкнутой пусковой обмотке вихревые токи. При взаимодействии этих токов с магнитным полем статора образуется асинхронный электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения статорного поля, двигатель втягивается в синхронизм и вращается с синхронной скоростью. Короткозамкнутая обмотка не перемещается относительно поля, вихревые токи в ней не индуктируются, асинхронный пусковой момент становится равным нулю.

В синхронном двигателе (СД) ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля, т.е. д=Ф или S=0. Механическая характеристика СД горизонтальна (=). СД практически не используются в САР, т. к. регулирование скорости возможно только частотным методом. Кроме того, многие СД не имеют собственного пускового момента.

Обмотки статора СД создают вращающееся магнитное поле и по конструкции принципиально не отличаются от таковых в АСД. В зависимости от конструкции ротора, устройство и материал которого в значительной мере определяют природу возникновения электромагнитного момента и рабочие характеристики, СД подразделяются на три типа: с активным ротором (постоянными магнитами); реактивные; гистерезисные. Особую группу составляют двигатели дискретного действия - шаговые двигатели, которые в силу слежения ротора за магнитным полем следует отнести к синхронным двигателям.

Синхронные двигатели с активным ротором

Ротор таких СД состоит из двух основных частей: а) постоянных магнитов, создающих магнитный поток возбуждения ротора и обеспечивающих возникновение электромагнитного момента в синхронном режиме; б) короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка», обеспечивающей возникновение электромагнитного момента в процессе асинхронного пуска.

Электромагнитный момент создается в результате взаимодействия вращающегося поля статора с полем возбуждения ротора, которые вращаются с одинаковой скоростью.

Электромагнитный момент СД в синхронном режиме в случае симметричной магнитной цепи и при незначительном активном сопротивлении обмотки статора определяется уравнением, известным из общей теории синхронных машин активного типа:

(2.1)



где m - число фаз статора; U - фазное напряжение на обмотке статора; Eо - э.д.с., наводимая магнитным потоком ротора в обмотке фазы статора; с - синхронная угловая скорость; Xс - индуктивное сопротивление обмотки статора; - сдвиг по фазе между векторами U и Eо.

Угол в синхронном режиме зависит от момента нагрузки на валу двигателя. Угловая характеристика, соответствующая уравнению (2.1), изображена на рис. 2.1. сплошной линией.

В реальных СД с постоянными магнитами магнитная система несимметрична. Активное сопротивление обмотки статора СД небольшой мощности, обычно используемых в САУ, соизмеримо с индуктивными сопротивлениями. Поэтому существенная часть потребляемой мощности теряется на активном сопротивлении обмотки статора.

Оба указанных фактора влияют на значение электромагнитного момента Mс и его зависимость от угла . Эта зависимость приведена на рис. 2.1. пунктиром.

У СД с постоянными магнитами применяют асинхронный метод пуска. Вращающееся магнитное поле статора во взаимодействии с токами, наведенными в короткозамкнутой обмотке ротора, создает асинхронный момент Mа. Особенность пуска таких двигателей заключается в том., что поток от постоянных магнитов ротора при вращении ротора наводит в обмотках статора э.д.с., частота которой не равна частоте напряжения питания. Под действием э.д.с. в цепи обмоток статора проходят токи, которые во взаимодействии с вызвавшим их потоком ротора создают тормозной момент Mт. Для уменьшения тормозного момента Mт необходимо снижать поток постоянных магнитов ротора.

Оптимальной является такая степень возбуждения ротора, которая обеспечивает наилучшие характеристики в синхронном режиме при заданных пусковых характеристиках.

В мощных СД может использоваться электромагнитное возбуждение ротора. На обмотку ротора через коллектор подается постоянное напряжение, создающее магнитное поле возбуждения ротора. При пуске постоянное напряжение отключается от обмотки ротора, которая на время пуска подключается к сопротивлению. Пусковой момент создается обмоткой типа «беличья клетка».

Такие СД имеют наиболее оптимальные рабочие и пусковые характеристики. Однако они практически не применяются в САУ, где энергетические характеристики не являются решающими. Основные причины этого заключаются в следующем:

1) для работы двигателя необходимы два источника питания: переменного и постоянного тока;

2) скользящий контакт кольца-щетки снижает надежность двигателя и усложняет его конструкцию;

3) требуется специальная пусковая схема, отключающая на период разгона обмотку ротора от источника постоянного тока и подключающая ее к внешнему сопротивлению.

Реактивные синхронные двигатели

Ротор реактивных СД является невозбужденным, но его магнитное сопротивление непостоянно вдоль окружности воздушного зазора.

Принцип действия реактивного СД рассмотрим на статической модели, представленной на рис. 2.2. Вращающееся магнитное поле статора Фd заменим полем постоянного магнита. Угол между продольной осью ротора d и осью магнитного потока Фd обозначим .

В том случае, когда =0 (рис. 2.2, а), магнитные силовые линии проходят по пути наименьшего сопротивления и не деформируются. Реактивный вращающий момент Mр=0. Ротор находится в положении устойчивого равновесия. Если принудительно повернуть на угол по часовой стрелке (рис. 2.2, б), то магнитные силовые линии изогнутся. Деформация магнитного поля вследствие упругих свойств силовых линий вызовет реактивный вращающий момент, стремящийся повернуть ротор против часовой стрелки. Очевидно, что при наличии внешнего момента Mн, ротор установится в такое положение, когда Mр= Mн.

В реальных реактивных СД обмотки статора создают вращающееся магнитное поле, а ротор увлекается реактивным моментом вслед за полем и вращается с угловой скоростью поля.

Важной характеристикой реактивного СД является удельный реактивный момент, который определяется как

при =0. 2.2

Величина удельного момента зависит от формы ротора и величины потока возбуждения в квадрате.

Реактивный СД не имеет собственного пускового момента, поэтому у таких двигателей применяется асинхронный метод пуска. В качестве пусковой обмотки на роторе служит либо обмотка типа «беличья клетка», либо алюминиевые части ротора. Когда скорость д достигает величины, близкой к синхронной (0,95с), явнополюсный ротор взаимодействует с полем и втягивается в синхронизм. Ток коротко замкнутой обмотки падает до 0.

Характерной особенностью реактивных СД является нестабильность вращения ротора при постоянстве средней скорости вращения. Мгновенная угловая скорость ротора может колебаться в пределах одного оборота относительно средней скорости (рис. 2.3). Это явление присуще и другим СД и называется качанием ротора. Оно нежелательно, т. к. дает ошибку в положении ротора относительно расчетного, что недопустимо при использовании СД в точных системах передачи угловых перемещений.

Причиной этого явления является нестабильность реактивного момента и момента нагрузки. Существуют внешние и внутренние (конструктивные) причины, приводящие к нестабильности моментов: эллиптичность вращающегося магнитного поля; неравномерность магнитной проводимости по различным осям двигателя; неточная балансировка ротора; тормозные моменты в подшипниках; колебания и несинусоидальность напряжения питания; неравномерность нагрузки на валу двигателя.

К уменьшению амплитуды качаний ротора приводят следующие факторы: увеличение удельного реактивного момента; улучшение технологии изготовления двигателей; использование электрического демпфирования. Так коротко замкнутая пусковая обмотка является одновременно и демпфирующей, т. к. при качаниях ротора относительно поля в ней наводятся токи, создающие момент, препятствующий качаниям ротора.

На рис. 2.4 показаны механическая (а) и регулировочная (б) характеристики реактивного СД. Механическая характеристика горизонтальна вплоть до величины максимального момента Mмакс, при котором двигатель выпадает из синхронизма и останавливается. На рис. 2.4 также показана механическая характеристика для пусковой обмотки (кривая 2).

Регулировочная характеристика линейна и идет из начала координат. Начальный участок показан пунктиром из-за трудности реализации низких угловых скоростей.

Реактивные СД имеют много разновидностей, которые можно разделить на три основные группы: 1) реактивные СД с распределенными обмотками статора; 2) редукторные реактивные СД; 3) реактивные СД с сосредоточенными обмотками статора (будут рассмотрены в разделе «шаговые двигатели»).

Реактивные синхронные двигатели с распределенными обмотками статора.

Статор таких двигателей принципиально ничем не отличается от статора обычных синхронных и асинхронных машин. Его задача - создать вращающееся магнитное поле.

Ротор - явнополюсный. На рис. 2.5 изображены конструкции явнополюсных роторов. На рис. 2.5, а, б ротор выполнен из электротехнической стали. В нем находится «беличья клетка» для асинхронного пуска двигателя. Различная магнитная проводимость достигается за счет внешних (рис. 2.5, а) или внутренних пазов (рис. 2.5, б) в магнитном материале. В конструкции на рис. 2.5,в,различная магнитная проводимость ротора достигается за счет выполнения его из двух разнородных по магнитным свойствам материалов.

Реактивные СД имеют невысокие энергетические показатели. Для рассматриваемой конструкции к.п.д. лежит в диапазоне от 5% до 40%.

Реактивный редукторный двигатель. Редукторные СД позволяют получить пониженную синхронную скорость вращения при питании от стандартной сети без механического редуктора.

Статор и ротор такого двигателя имеют зубцы, как показано на рис. 3.6. Числа зубцов статора zс и ротора zр различны, причем обычно zр>zс. На статоре уложена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле Фс.

Если в данный момент времени поток Фс занимает положение А, то реактивный вращающий момент заставит ротор повернуться в положение наибольшей магнитной проводимости, т.е. напротив статорных зубцов 1 и 4 будут находиться роторные зубцы 1 и 5. При перемещении потока Фс в положение Б, т.е. на угол 3600/zс, ротор под действием реактивного момента встанет в положение, когда напротив зубцов статора 2 и 5 встанут зубцы ротора 2 и 6, т.е. ротор повернется на угол 3600/zс3600/zр.

Следовательно, угловая скорость ротора д меньше угловой скорости поля статора с в раз. Коэффициент редуцирования скорости . Kр=4. Если zр=100 и zc=98, то Kр=50. Однако следует иметь ввиду, что число зубцов ограничивается технологическими соображениями.

Реактивные редукторные СД имеют недостатки, характерные для всех реактивных СД - малый вращающий момент, низкие энергетические показатели и большую массу.

Синхронные гистерезисные двигатели

В синхронных гистерезисных двигателях (СГД) вращающий момент возникает за счет гистерезиса при перемагничивании ротора. Статор СГД обычный, служит для создания вращающегося магнитного поля. Ротор выполнен из магнитотвердого материала. Используются материалы типа викалоя и ални с широкой петлей гистерезиса. Ротор выполняется сборным: на немагнитной или магнитомягкой втулке 2 напрессовано кольцо из магнитотвердого материала 1 (рис. 2.6). При ограниченной мощности возбуждения оптимальное по намагничиванию использование магнитотвердого материала кольца и наилучшие энергетические показатели достигаются при определенном соотношении между толщиной кольца и диаметром ротора.

Для выяснения природы гистерезисного момента рассмотрим физические процессы, происходящие в роторе при асинхронном вращении, т.е. когда материал ротора непрерывно перемагничивается. На рис. 2.7, а магнитный поток статора Фс занимает положение А, а элементарные магнитики ротора ориентированы вдоль этого потока. Силы взаимодействия Fэм элементарных магнитиков с потоком статора Фс направлены вдоль этого потока и вращающего момента не создают. При перемещении потока статора в положение Б в том же направлении будут поворачиваться и элементарные магнитики (рис. 2.7, б). Однако вследствие явления гистерезисного запаздывания магнитики не повернутся на тот же угол, что и поток Ф1, а будут отставать от него на угол гистерезисного запаздывания г.

Таким образом между направлением потока статора Ф1 и направлением намагниченности ротора образуется угол г, который определяется коэрцитивной силой материала ротора. Силы взаимодействия Fэм будут иметь тангенциальные составляющие Ft, которые и создадут гистерезисный момент асинхронного режима Mг. Этот момент пропорционален модулю векторного произведения пространственных векторов магнитного потока ротора Фр, образованного элементарными магнитиками, и м.д.с. статора Fс, которые вращаются со скоростью поля со сдвигом на угол г:

Mг=kFсФрsinг, (2.3)

где k - конструктивный коэффициент.

Пространственный угол г не зависит от угловой скорости ротора и зависит только от коэрцитивной силы материала ротора, при которой начинается его перемагничивание (изменение направления поля элементарных магнитиков). Поэтому не зависит от угловой скорости ротора и вращающий гистерезисный момент Mг.

Механическая характеристика идеального гистерезисного двигателя приведена на рис. 2.8. Характеристика абсолютно жесткая, а пусковой момент равен моменту при синхронной угловой скорости (Mп=Mг).

В синхронном режиме магнитное поле статора и ротор вращаются с одинаковой угловой скоростью и перемагничивания материала ротора не происходит. Магнитный поток ротора Фр сохраняется вследствие остаточного магнетизма и вращается вместе с ротором с синхронной угловой скоростью. Двигатель работает как обычный СД с постоянными магнитами на роторе.

Момент двигателя в синхронном режиме равен моменту нагрузки Mн, но не может превышать величины Mг. В зависимости от момента нагрузки Mн на валу двигателя изменяется угол отставания оси поля ротора от оси поля статора. При Mн=0 (холостой ход) =0. При Mн=Mг (максимальное значение момента) =г. При дальнейшем увеличении момента Mн начинается перемагничивание материала ротора, а вращающий момент остается постоянным, равным Mг. При Mн>Mг ротор двигателя выходит из синхронизма и останавливается.

В том случае, если момент нагрузки зависит от скорости вращения ротора Mн=f(), то возможен как синхронный, так и асинхронный режим работы двигателя. Если момент нагрузки во всем диапазоне скоростей на превышает Mг (прямая 1 на рис. 2.8), то установится синхронная скорость с, и вращающий момент будет соответствовать точке А на механической характеристике. Если изменение момента нагрузки идет по прямой 2, то установится асинхронная скорость 2<с, а момент двигателя будет равен Mг. Следует отметить, что использование гистерезисного двигателя в асинхронном режиме неэкономично вследствие больших потерь на перемагничивание ротора, особенно при больших скольжениях.

Синхронные гистерезисные двигатели обладают рядом ценных качеств. Они развивают большой пусковой момент и способны входить в синхронизм плавно, без рывков благодаря постоянному значению пускового момента во время пуска при изменении от 0 до с. Потребляемый ток незначительно (на 20-30%) изменяется при изменении режима работы от короткого замыкания (=0) до холостого хода (Mн=0, =с), что позволяет эффективно использовать гистерезисные двигатели в повторно-кратковременном режиме. Гистерезисные двигатели просты по конструкции и надежны в эксплуатации.

Энергетические показатели гистерезисных двигателей не высоки, т. к. магнитный поток ротора является вторичным, т.е. наведенным рабочим потоком статора, и режим работы такого двигателя соответствует режиму синхронной машины с недовозбуждением. К.п.д. гистерезисного двигателя можно повысить путем подмагничивания ротора с помощью кратковременного повышения значения магнитного потока статора за счет увеличения подводимого к нему напряжения.

3.Шаговые двигатели

Шаговые двигатели (ШД) преобразуют команду, заданную в виде импульсов, в фиксированное угловое или линейное перемещение. ШД являются дискретными преобразователями и широко используются при управлении с использованием цифровой вычислительной техники.

Шаговые двигатели можно подразделить на три основные конструктивные группы: с постоянными магнитами (активный ротор), реактивные и индукторные.

Шаговые двигатели могут иметь различное число фаз, но наибольшее распространение получили двух-, трех- и четырехфазные ШД. Обмотка фазы статора либо целиком является обмоткой управления, либо ее разделяют на две (выводом от средней точки), магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на 1800.

Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или разнополярных импульсов.

Принцип действия ШД рассмотрим на примере конструкции, представленной на рис. 3.1. Статор имеет явновыраженные полюса (зубцы), на которых расположены обмотки управления. В рассматриваемом примере ШД имеет 4 фазы. Каждая фаза состоит из двух обмоток, расположенных на противоположных полюсах. Начало обмоток обозначено цифрами 1, 2, 3, 4. Конец обмоток - цифрами 1, 2, 3, 4.

Ротор явнополюсный, и может быть как намагниченным (активного типа), так и намагниченным (как у индукторных СД). Рассмотрим сначала не намагниченный ротор.

При подаче импульса тока на обмотку 1-1 ротор за счет реактивного момента встанет напротив соответствующих зубцов (полюсов) статора. Если затем подать импульс на обмотку 2-2, то ротор повернется против часовой стрелки на угол 450 и встанет напротив соответствующих зубцов. Если подавать импульсы на обмотки в последовательности 1-2-3-4, то ротор будет вращаться против часовой стрелки. Для вращения по часовой стрелке последовательность подключения фаз должна быть 1-4-3-2. При пассивном роторе импульсы управления могут быть однополярными. Если подать импульсы управления на две соседние фазы одновременно (например, 1 и 2), то ротор займет промежуточное положение между зубцами 1 и 2. Это явление называется электрическим дроблением шага.



Если используется ротор активного типа, то импульсы управления должны быть разнополярными. В рассматриваемом примере для вращения против часовой стрелки подаются положительные импульсы в последовательности 1-2-3-4 (поворот на первые 1800), а затем отрицательные в последовательности 1-2-3-4 (вторые 1800). При вращении по часовой стрелке последовательность 1-4-3-2-1-4-3-2 (поворот на 3600). Цифра с чертой означает, что на данную фазу подается отрицательный импульс. Управление разнополярными импульсами усложняет схему управления двигателем, поэтому в ШД чаще используется пассивный ротор.

В реактивных ШД ротор так же как и статор имеет зубчатую конструкцию. Например: статор имеет 12 зубцов, а ротор - 16 зубцов. Обмотки 1-4-7-10 соединены последовательно и составляют одну фазу (Ф1). Аналогично обмотки 2-5-8-11 и 3-6-9-12 составляют фазы Ф2 и Ф3. Таким образом имеется всего 3 фазы.

При подаче импульса на фазу Ф1 магнитный поток замыкается. Напротив зубцов статора 1-4-7-10 стоят зубцы ротора 1-5-9-13. Если следующий импульс подать на фазу Ф2 (2-5-8-11), то магнитный поток должен найти другой путь. Наименьший зазор оказывается между зубцами 2-5-8-11 статора и зубцами 2-6-10-14 ротора соответственно. Появится реактивный момент, который повернет ротор так, что указанные зубцы ротора и статора окажутся напротив друг друга. Угол поворота ротора составит 30022,50=7,50. При подаче импульса на Ф3 ротор повернется еще на 7,50 и т.д. Подавая импульсы тока в последовательности 1-2-3-1, мы получим вращение ротора шагами по часовой стрелке. Для вращения ротора против часовой стрелки импульсы нужно подавать на фазы в последовательности 1-3-2-1.

Угол поворота на один шаг определяется числом фаз Nф и числом зубцов ротора Nр:



.(3.1)

Существует много конструктивных разновидностей ШД. Если статор и ротор развернуть в линию, то получится линейный ШД (рис. 3.2). Очевидно, что в этом случае линейное перемещение ротора будет ограничено его длиной.

Индукторные ШД отличаются от рассмотренных реактивных тем, что в них применяется подмагничивание ротора, например, униполярным постоянным магнитным потоком со стороны статора (рис. 3.3). В торце двигателя на статоре расположен кольцевой магнит с осевой намагниченностью. Постоянный магнитный поток подмагничивания Фп по ротору замыкается в осевом направлении, а в воздушном зазоре между ротором и статором - в радиальном. При этом увеличивается синхронизирующий момент, улучшаются энергетические и динамические характеристики ШД.

Режим работы ШД в значительной мере определяется частотой следования управляющих импульсов f.

Статический режим (f=0) соответствует прохождению постоянного тока по обмоткам управления, создающим неподвижное магнитное поле. Основной характеристикой этого режима является зависимость статического синхронизирующего момента Mс от угла рассогласования между продольной осью ротора и м.д.с. статора (моментная характеристика). На рис. 3.4 показаны положения ротора для различных значений . При =0 синхронизирующий момент Mс=0. При 0 реактивный синхронизирующий момент Mс0. Он стремится повернуть ротор в согласованное положение. Если угол рассогласования равен половине угла между зубцами ротора =р, то на каждый зубец действуют равные по величине и противоположные по направлению силы. Результирующий момент Mс=0. Таким образом в диапазоне изменения от 0 до р синхронизирующий момент имеет максимум. Зависимость Mс=f() показана

Под действием момента нагрузки на валу ШД ротор отклонится от согласованного положения на угол . Если Mн превысит Mмакс, то будет потеряна синхронизация между положением ротора и управляющими импульсами. Поэтому для нормальной работы ШД всегда должно выполняться условие Mн<Mмакс.

При отработке ШД импульсов управления возможны два режима: пошаговый и скоростной.

Пошаговый режим соответствует частоте управляющих импульсов, при которой переходный процесс, чаще всего колебательный, на каждом шаге заканчивается к началу следующего шага, т.е. угловая скорость ротора в начале каждого шага равна нулю. Основными показателями ШД в пошаговом режиме являются: а) перерегулирование , т.е. максимальное отклонение ротора от нового устойчивого положения при переходном процессе; б) максимальное значение мгновенной угловой скорости ротора в процессе шага; в) время затухания свободных колебаний ротора на одном шаге tз.

Средняя угловая скорость ротора определяется выражением

(3.2)



Скоростной режим работы ШД соответствует частоте управляющих импульсов, при которой tз больше периода следования импульсов (рис. 3.5). Устойчивая работа ШД в таком режиме зависит от момента нагрузки на валу двигателя. Обычно в паспортных данных ШД приводится зависимость допустимого момента нагрузки от частоты управляющих импульсов для пошагового и для скоростного режимов (рис. 3.6). При переходе от пошагового режима к скоростному частоту импульсов управления нельзя изменять скачком, т. к. из-за влияния момента инерции ротора и нагрузки в переходном режиме возможны пропуски импульсов управления (потеря синхронизации). Частота импульсов управления должна изменяться постепенно, как при переходе от пошагового режима к скоростному, так и наоборот (рис. 3.7).

Одной из причин ограничения скорости работы ШД является постоянная времени обмоток управления , где Lф и Rф - индуктивность и активное сопротивление обмотки управления (фазы). При большой частоте f импульсов управления ток в обмотке не успевает нарасти до номинального значения. На рис. 3.8 показана форма тока в обмотке управления с Tф=10-3с при различной частоте управляющих импульсов. Так при частоте 500 шагов в секунду ток в обмотке за время импульса достигает значения 0,6 Iном, а при 1000 шагов в секунду - 0,4 Iном.

Для уменьшения постоянной времени используется добавочное сопротивление, включаемое последовательно с обмоткой управления. Соответственно увеличивается амплитуда импульсов управления. Так при Rд=4Rф и Uимп=5Uном ток в обмотке управления при скорости 100 шагов в секунду будет достигать 0,9 Iном. Соответственно улучшается и частотная характеристика. На рис. 3.9 показано улучшение зависимости M=f(f) для одного из двигателей при включении добавочного сопротивления Rд=4Rф.



4. Применение синхронных и шаговых двигателей

Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для электроприводов, работающих с постоянной скоростью.

В качестве примера использования синхронных двигателей можно назвать очень распространенные на наших предприятиях высоковольтные (6-10 кВ) компрессоры с двигателями большой мощности. Когда-то у меня на одном из предыдущих мест работы имелась компрессорная с четырьмя высоковольтными синхронным электродвигателями мощностью по 500 кВт каждый. Использовалась такая компрессорная (находилась в отдельном здании) для централизованного снабжения всего предприятия сжатым воздухом.

Можно встретить синхронные электродвигатели также в качестве привода насосов большой мощности длительного режима работы. В последнее время, вследствие появления преобразовательной полупроводниковой техники, разрабатываются регулируемые синхронные электроприводы (с частотными преобразователями), уже существуют сервоприводы с синхронными электродвигателями. Все это существенно расширяет сферу применения синхронных электродвигателей в наше время. Ну и кроме этого, очень распространены маломощные синхронные двигатели, которые используются в различной бытовой технике, часах и других приборах.

Что касается шаговых двигателей, то они также получили широкое применение. Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов, например, в станках сЧПУ, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах. В отличие от сервоприводов, шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков вращения.



Список использованной литературы

1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. В двух книгах. - М.: Энергоатомиздат, 2003.

2. Пряшников В.А. Электроника: Курс лекций. - СПб: КОРОНА принт, 1998.

3. Глазенко Т.А., Пряшников В.А. Электротехника и электроника. - М.: Высшая школа, 1996.

4. Жаворонков А.А, Кузин А.В. Электротехника с основами электроники. Москва ACADEMA?2005. 400с

5. Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. - М.: Высшая школа, 1986. ротор синхронный шаговый двигатель

6. Завадский В.А. Компьютерная электроника. - Киев: Век, 1996.

Размещено на Allbest.ru