Асинхронные и синхронные двигатели

Двигатели переменного тока, как правило, применяются в тяжелых эксплуатационных условиях, однако они находят все большее распространение в системах промышленного управления, например в качестве сервомотрров. Некоторые преимущества двигателей переменного тока перечислены ниже:

; экономичность;

; надежная и простая конструкция;

; высокая эксплуатационная надежность;

; простое энергопитание;

; отсутствие коммутатора;

; практическое отсутствие дуговых явлений (поскольку нет коммутаторов).

Отрицательными чертами двигателей переменного тока являются более низкий момент трогания, чем у двигателей постоянного тока, и более сложные цепи; управления. Однако преимущества систем привода переменного тока таковы, что они успешно конкурируют с двигателями постоянного тока в роботах, манипуляторах и; промышленных системах силового привода.

Широкое применение двигателей переменного тока в качестве сервомотор стало возможным по мере развития силовой электроники в сочетании с новыми методами управления. Применение микроэлектроники обеспечивает вполне приемлемое управление частотой питающего напряжения. Вращающий момент двигателя нельзя измерить так же просто, как у двигателей постоянного тока, однако существуют способы его оперативной оценки. Из-за жестких временных требований управления должны использоваться микропроцессоры со специальной архитектурой, обеспечивающей очень высокую скорость вычислений, — цифровые сигнальные процессоры .

У асинхронного (индукционного) двигателя магнитное поле статора не постоянно в отличие от двигателя постоянного тока. В простейшей (двухполюсной) машине имеются три статорные обмотки, расположенные вокруг статора под углом 120° относительно друга. Когда по ним подается трехфазное переменное напряжение результирующий магнитный поток статора вращается с частотой приложенного напряжения. Поскольку к обмотке ротора не подводится никакого внешнего питания (она короткозамкнута), то нет необходимости в щеточных коммутирующих устройствах.

Вращающееся поле статора пересекает обмотки ротора и индуцирует в них ток. Результирующий поток ротора взаимодействует с вращающимся потоком статора создает вращающий момент в направлении вращения поля статора. Этот момент есть рабочий момент двигателя. Из-за потерь на трение ротор не может даже на холостом ходу достичь так называемой синхронной частоты вращения, т. е. Точного значения частоты вращения поля статора. Вращающий момент образуется именно из-за разности частот вращения ротора и поля статора. Относительная разность частот вращения называется скольжением ротора

где — частота вращения поля статора (синхронная частота); a — частота вращения ротора. Очевидно, что при S= 0 вращающий момент равен нулю.

Ротор синхронного двигателя движется синхронно с вращающимся магнитным по­лем, создаваемым обмотками статора (статор синхронного двигателя в принципе такой же как у асинхронного). В отличие от асинхронного, обмотки ротора синхронного двигателя возбуждаются от внешнего источника постоянного тока Полюса возникающего магнитного поля ротора занимают фиксированное положение относительно вращающе­гося поля статора и вращаются вместе с ним; следовательно, скорости вращения поля статора и ротора идентичны и скольжение равно нулю. Синхронные двигатели часто ис­пользуются в тех случаях, когда необходима постоянная скорость вращения при пере­менной нагрузке. В сочетании с современными преобразователями частоты синхронные двигатели могут работать с переменной скоростью вращения. Большое распространение приобретают синхронные двигатели с постоянными магнитами. Шаговые двигатели можно рассматривать как специальный тип синхронного двигателя.

Усилители мощности

Выходные порты компьютера имеют очень низкую мощность и не могут непос­редственно управлять каким-либо физическим устройством. Для того чтобы возбуждать исполнительные механизмы, взаимодействующие с физическим процессом (двигатели и т. п.), выходной сигнал компьютера необходимо усиливать. Усилители мощности управляющих сигналов могут быть выполнены как отдельные устройства, так и входить непосредственно в состав исполнительного механизма. При уровнях мощности до нескольких сотен ватт можно использовать усилители, аналогичные применяемым в аудиосистемах, которые называются операционными усилителями мощности. При больших мощностях чаще используется название сервоусилитель или программируемый источник энергоснабжения . Конструктивно последние обычно выполнены таким образом, чтобы их можно было монтировать вместе с двигателями или электроклапа­нами. Выходным напряжением программируемых источников можно управлять с помощью аналогового или цифрового сигнала.

Для управления большими мощностями применяется широтно-мпульсная модуляция (ШИМ) В этом случае выходное напряжение переключается между двумя постоянными значе­ниями с высокой частотой, обычно в диапазоне нескольких килогерц. Средний уро­вень напряжения поддерживается изменением (модуляцией) ширины импуль­сов. На рис. 4.31 приведен пример такого сигнала.

"Узкие" импульсы соответствуют низкому, а "широкие" - высокому среднему напряжению. Устройство ШИМ вклю­чается в схему управления мощностью на основе твердотельных выключателей типа транзисторов, мощных полевых МОП-транзисторов или тиристоров. В преобразова­телях для мощностей порядка 300 кВт используются так называемые биполярные транзисторы с изолированным затвором . Для больших уровней мощности целесообразно применять запираемые тиристоры .

Технология ШИМ используется в тех случаях, когда обычный усилитель просто сгорит из-за высокого уровня мощности. Переключения приводят к тому, что твердотельные приборы загружены полной мощностью лишь короткое время и, соответственно, рассеивание мощности в них мало, а значит, ШИМ-усилители имеют высокую эффективность. Дополнительным преимуществом ШИМ-усилителей является возможность непосредственного управления переключениями через цифровой вы­ходной порт компьютера.

ШИМ-управление. широко используется в технике исполнительных механизмов непрерывного действия. таких как двигатели переменного и постоянного тока и гидропривод. Если частота переключений ШИМ-усшштеля достаточно высока по срав­нению с постоянной времени исполнительного механизма, то результирующий сигнал имеет некое среднее значение (рис . 3.7.). Входное напряжение переключается между нулевым и максимальным значениями, в результате вырабатывается определенное среднее значение выходной мощности. Если частота переключений достаточно высока по сравнению постоянной времени управляемой системы, то колебания выходных величин пренебрежительно малы.