Синхронные двигатели. Шаговые и бесконтактные двигатели постоянного тока

Синхронные двигатели. По конструкции синхронный двигатель аналогичен конструкции синхронного генератора. Если подвести к статору переменное трехфазное напряжение, то, как и у асинхронного двигателя, внутри статора образуется круговое вращающееся магнитное ноле с частотой 2 тс/

вращения соп = —. Однофазная обмотка ротора, как и в синхронном гене- Р

раторе, запитывается постоянным током. Скорость вращения ротора, который является постоянным магнитом, совпадает со скоростью вращения магнитного поля. Именно поэтому такой двигатель называется синхронным.

Схема и принцип работы асинхронного тахогенератора

Рис. 3.53. Схема и принцип работы асинхронного тахогенератора:

а — вариант неподвижного ротора тахогенератора; б — ротор тахогенератора вращается

Однако для синхронного вращения ротор надо предварительно разогнать до скорости, близкой к синхронной. Для этого применяют гак называемый асинхронный пуск. Реализуется он с помощью вспомогательной короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка», встроенной в полюса ротора.

При запуске однофазную обмотку ротора отключают от источника постоянного тока. Ротор при запуске разгоняется, как асинхронный, до скорости, несколько меньшей частоты вращения магнитного поля со(), и далее при подключении однофазной обмотки ротора к источнику постоянного тока втягивается в синхронизм. Ротор догоняет магнитное поле. При этом в «беличьей клетке» ток будет отсутствовать. «Беличья клетка» нужна только для разгона. Момент подключения однофазной обмотки ротора при асинхронном запуске должен обеспечивать втягивание ротора в синхронизм без толчков и ударов, поэтому является ответственной операцией.

В силу указанных проблем с запуском синхронных двигателей для систем автоматики были разработаны разные типы исполнительных двигателей, в основу которых заложена конструкция синхронного двигателя и в которых различными способами решается задача разгона двигателя. К таким двигателям относятся реактивные двигатели с распределенной обмоткой статора, гистерезисные двигатели, синхронные двигатели с катящимся ротором, редукторные двигатели.

Мощности исполнительных двигателей относительно невелики (до нескольких десятков ватт). Обычно это двигатели с трехфазной распределенной обмоткой на статоре, подключаемые к однофазной сети. Для реализации кругового вращающегося поля внутри статора используется дополнительный, специально подбираемый конденсатор. Сетевое напряжение подводится к двум выводам обмотки. Конденсатор соединяет третий вывод обмотки и один из проводов сети. Соединение обмоток внутри статора может быть как звездой, так и треугольником.

Улучшение пусковых свойств этих двигателей обеспечивается за счет дополнительной реактивной мощности и соответственно дополнительного вращающего момента, зависящего от величины сетевого напряжения и специальных конструктивных особенностей обмотки статора. В гистерезисном двигателе помимо реактивной распределенной обмотки статора дополнительный вращающий момент создается за счет эффекта перемагничивания ротора, выполненного из специального магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса.

Редукторные двигатели и двигатели с катящимся ротором обеспечивают существенное понижение скорости вращения ротора без использования механического понижающего редуктора. В первом случае понижение скорости обеспечивается за счет разного числа полюсов ротора и статора. Число полюсов на роторе меньше числа полюсов на статоре. При этом чем больше общее число полюсов и меньше разность числа полюсов на статоре и роторе, тем больше коэффициент редукции. Двигатель с катящимся ротором конструктивно совмещает в себе синхронный двигатель и эффект планетарного редуктора.

Шаговые двигатели (ШД) в соответствии с приведенной ранее классификацией следует отнести к синхронным двигателям в силу того, что ротор такого двигателя отслеживает поворот вектора магнитного поля внутри статора, осуществляемого за счет коммутации его обмоток, подключаемых к источнику постоянного тока. Фактически эти двигатели преобразуют электрические импульсы напряжения управления в дискретные (скачкообразные) угловые повороты ротора с возможной его фиксацией в нужных положениях.

В зависимости от конструкции ротора существует два вида ШД — нереверсивные и реверсивные. В автоматических системах в основном используются реверсивные двигатели. Нереверсивные двигатели нашли широкое распространение в часовых механизмах. Кроме того, шаговые двигатели могут быть либо с активным явнополюсным ротором с числом пар полюсов в виде постоянных магнитов р = 1-^4, либо с реактивным ротором, выполненным в виде сердечника из магнитомягкого материала. Поверхность такого сердечника представляет собой чередующиеся выступы и впадины, своего рода гребенку. Шаговые двигатели с активным ротором относят к типу магнитоэлектрических, а ШД с реактивным ротором — индукционного типа.

Статоры ШД выполняют также явнонолюсными. Для ШД с активным ротором число полюсов ротора и статора совпадает. Это условие не является обязательным для ШД с реактивным ротором. Число независимых управляющих обмоток но периметру статора обычно четыре (четырехтактное управление). Реже встречается шесть управляющих обмоток на статоре (шеститактное управление).

На рис. 3.54 представлены конструкции статоров и роторов ШД обоих типов. Вариант 1 — эго ШД с реактивным ротором, а вариант 2 — с активным ротором р = 4).

Конструкции шаговых двигателей

Рис. 3.54. Конструкции шаговых двигателей:

1 — ШД с активным ротором; 2 — ШД с реактивным ротором

Рассмотрим логику управления шаговым двигателем на примере ШД с активным ротором (р = 1) и с четырьмя обмотками управления со взаимным расположением друг относительно друга на статоре под 90°. Схема подобного двигателя приведена на рис. 3.55. Пусть в исходном положении ротор в виде постоянного магнита расположен вертикально. При подключении второй обмотки к источнику постоянного напряжения (все остальные обмотки обесточены) ротор повернется на 90°. Далее отключается вторая обмотка, подключается третья и ротор повернется еще на 90° и т.д. Величина шага в этом случае составляет 90°.

Логика подключения обмоток просматривается на графиках изменения токов в обмотках, показанных на рис. 3.56, а. На практике для увеличения

Схема шагового двигателя с р = 1

Рис. 355. Схема шагового двигателя с р = 1

момента, развиваемого двигателем, логику управления реализуют таким образом, чтобы всегда включались две соседние обмотки. Например, на первом щаге включены обмотки 1 и 2, на следующем шаге — обмотки 2 и 3> далее — обмотки 3 и 4 и т.д. При этом ротор будет занимать последовательно следующие угловые положения: 45°, 135°, 225° и т.д. Подобная логика показана на рис. 3.56, б.

Логика подключения обмоток ШД при вращении ротора

Рис. 356. Логика подключения обмоток ШД при вращении ротора

в одну сторону:

а — упрощенный вариант; б — вариант увеличения момента, развиваемого двигателем

Реверсирование направления вращения ротора ШД осуществляется изменением последовательности подключения обмоток статора. Величину шага можно уменьшить (электрическое дробление шага) в 2 раза (Дф = 45°) за счет усложнение логики коммутации обмоток. Смысл этой логики показан на графиках рис. 3.57. Здесь идет чередование подключения одной обмотки (пусть первой), потом подключение дополнительно соседней (пусть второй), потом отключение первой и т.д. Недостатком такого способа уменьшения шага является переменный момент, развиваемый двигателем.

При четырех обмотках статора, одном магните на роторе (j) = 1) и электрическом дроблении шаг меньше 45° сделать нельзя. Для уменьшения шага нужно увеличивать количество магнитов на роторе. Если их будет четыре = 4), то минимальный шаг составит 22,5°. Электрическое дробление позволит уменьшить его еще в 2 раза. Дальнейшее уменьшение шага ШД с активным ротором трудно осуществить по конструктивным соображени-

Логика подключения обмоток ШД при электрическом дроблении шага

Рис. 357. Логика подключения обмоток ШД при электрическом дроблении шага

ям. При этом нужно учитывать, что четыре независимые обмотки управления, чередуясь по окружности статора, будут распределены по 16 полюсам.

Значительно меньший шаг может быть получен у двигателей с реактивным ротором. Этот принцип заложен в гребенчатой конструкции ротора и поверхностей полюсов статора ШД. Принцип работы такого ШД показан на рис. 3.58. Здесь представлено взаимное расположение развертки статора вместе с полюсами и развертки ротора.

Принцип работы ШД с реактивным ротором

Рис. 358. Принцип работы ШД с реактивным ротором

При запитке обмотки полюса 1 зубцы ротора и первого полюса располагаются друг против друга. При этом длина магнитных силовых линии в зазоре будет минимальной, соответствующей минимальному магнитному сопротивлению. Зубцы ротора и второго полюса в этом случае сдвинуты друг относительно друга на половину одного зубца, как показано на рисунке. При подключении второго полюса к источнику и отключении первого магнитные силовые линии между зубцами ротора и второго полюса оказываются удлиненными и искривленными. Появляется механический момент, под действием которого ротор повернется в сторону уменьшения длин магнитных силовых линий в зазоре между зубцами ротора и статора на угол Д, равный по дуге половине ширины зубца. Направление движения ротора на рисунке показано стрелкой.

Например, если на роторе 30 зубцов, то один зубец со впадиной занимает сектор в 12°. Сдвижка на половину зубца составляет 3°. Эта величина и составит минимальный шаг при переключении на обмотку второго полюса.

Функциональная схема системы управления ШД показана на рис. 3.59. Она состоит из блока формирования импульсов в зависимости от управляющего сигнала, коммутатора и четырех усилителей мощности, запитывающих подключаемые коммутатором обмотки статора.

Функциональная схема системы управления ШД

Рис. 3.59. Функциональная схема системы управления ШД

Шаговый двигатель как элемент системы управления может быть отнесен к интегрирующему звену, так как скорость изменения угла поворота его вала пропорциональна частоте переключения обмоток статора. Однако частота переключений имеет ограничение сверху, так как переходные процессы в виде угловых колебаний вала ротора на каждом очередном шаге должны заканчиваться к моменту следующего переключения.

Сформулируем основные достоинства и недостатки разных типов ШД.

Шаговый двигатель с активным ротором способен удерживать свое угловое положение ротора при отключении обмоток статора от сети за счет собственного момента, развиваемого ротором, обусловленного наличием собственных магнитов на роторе. Однако этот тип двигателя обладает относительно большим шагом. Шаговый двигатель с реактивным ротором может быть сделан на относительно малые шаги, но он не способен сохранять свое положение в отсутствие питания на обмотке статора.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >