Управление трехфазным двигателем – сложное мероприятие, требующее установку дополнительных компонентов, использование специальных алгоритмов. Схемы предполагают несколько способов регулирования работы трехфазных, пошаговых моторов. Асинхронный трехфазовый шаговый двигатель – агрегат, активно использующиеся в промышленном оборудовании повышенной сложности. Данные силовые установки выдерживают длительную и интенсивную эксплуатацию в тяжелейших условиях. Это позволяет осуществлять технические процессы различной спецификации и нагрузки. Управление трехфазным двигателем бывает параметрическим, или от индивидуального преобразователя. Первый тип предполагает варьирование параметров цепей асинхронного двигателя. Трехфазные асинхронные электродвигатели – универсальные агрегаты, которые можно использовать для работы промышленных манипуляторов. Они отличительны экономической целесообразностью. Также их можно подключать к однофазной сети электроснабжения, но делать это достаточно сложно. Сюда же стоит отнести специфику регулирования параметров установок, включая их частоту, при подключении к однофазной сети. Использование нескольких технологий регулировки работы электродвигателей позволяет обустроить производственные инфраструктуры любой классификации.
Дистанционное управление трехфазным двигателем: шаговые электродвигатели (ШЭ), конструкция, разновидности
Перед тем, как организовать мониторинг работы трехфазным шаговым двигателем, нужно подробней изучить внутреннюю конструкцию силового агрегата, ознакомиться с классификациями установки. Дело в том, что пусть последние и имеют базовые сходства, но специфика управления конкретным асинхронным трехфазным мотором может существенно отличаться.
Поэтому к вопросу регулирования работы высокосложного оборудования необходимо подходить с максимальной ответственностью. Иначе, вместо эффективного производства будут проблемы с работой технологического оснащения. Согласно ГОСТ-у 27471-87, шаговый мотор – электрический двигатель, находящиеся во вращении с дискретными угловыми перемещениями ротора. Последние формируются за счет импульсов, которые поступают от микроконтроллера управления. Такие типы установок отличительны наличием трехфазной обмотки статора. Принцип действия заключается в непосредственном преобразовании управляющего сигнала, состоящего из последовательности импульсов, в фиксированный угол перемещения вала или в линейное перемещение без использования датчиков обратной связи. Особенность функционирования упрощает конструкцию привода, заменяя замкнутую систему следящего привода, в разомкнутую. Последняя удешевляет устройство, делает агрегат эффективней, увеличивает точность работы за счет четкой фиксации ротора (он же вращающиеся элемент (ВЭ)). Нюанс: Шаговые установки имеют более низкую точность, если сравнивать их с серводвигателями. Но они не лишены преимуществ таких, как низкая стоимость, простое управление двигателями постоянного тока.
Конструкция агрегатов
Установки, как и все электрические моторы, состоит из неподвижной и вращающейся частей. Первая – статор, а вторая – ротор. Шаговые установки более надежные и практичные ввиду того, что внутренняя конструкция не имеет контактных колец и щеточно-коллекторного узла. ВЭ оснащен выраженными полюсами, зубьями. Реактивный ШЭ оборудован ротором, произведенным с использованием магнитомягкого материала. Гибридные шаговые моторы оснащен составным ВЭ, который имеет полюсные наконечники.
Совет: Чтобы определить наличие постоянных магнитов, нужно осуществить вращение обесточенного мотора. Если во время этого возникает фиксирующий момент/происходят пульсации, тогда конструкционное исполнение предполагает установку постоянных магнитов. Касательно статора (неподвижного элемента), то внутри присутствует сердечник с полюсами. Изготовление предусматривает ламинированные листы электротехнической стали, произведенные методом штамповки. Данный материл снижает объем вихревых токов, уменьшает нагрев. Неподвижная часть, как правило, имеет от 2 до 5 фаз.
Основные характеристики
Специфика эксплуатации шаговых силовых агрегатов не предусматривает непрерывное вращение – паспортные данные не имеют параметры мощности. Оборудование имеет низкую, по сравнению с другими, мощность. Определяющей характеристикой является роторный шаг, т.е. показатель углового перемещения, который соответствует одному управляющему импульсу.
ШЭ совершает разовый шаг за определенную единицу времени при варьировании управляющих импульсов. На объем шага ВЭ воздействуют:
- количество обмоток – определяется производителем;
- полюсы и зубья.
Отличия конструкции влияют на величину шага. Последняя корректируется в диапазоне 90 – 0,75 градусов. Применение определенного блока управления с соответствующей методикой контроля асинхронным трехфазным двигателем может еще уменьшить шаг, если этого требует технический процесс.
Разновидности
В зависимости от специфики эксплуатации существуют несколько основных классификаций шаговых двигателей (ШД). Они подходят для решения задач любой сложности, отличаются конструкционным исполнением, имеют схожий принцип работы и недостатки – пониженная мощность, невозможность непрерывного вращения. Оснащены различными принципами управления трехфазным двигателем блоком ардуино.
Реактивный ШД
Представляет собой синхронный мотор. Неподвижная часть оборудована шестью полюсами и тремя фазами по две на каждый полюс. У вращающиеся части четыре полюса. Роторный шаг (угловое перемещение) составляет 30 градусов. Отличительная особенность – полное отсутствие фиксирующего/тормозящего момент в отключенном состоянии. Отличия:
- задействуют, если необходим большой коэффициент углового перемещения;
- ротор выполнен из магнитомягкого материала;
- сложная конструкция и дешевизна;
- нет фиксирующего момента;
- большой угол шагового перемещения.
Подключение статорных ваз последовательным способом способствует формированию магнитного поля. Оно вращается, а за ним и ротор. Ввиду меньшего количества полюсов, ВЭ за один шаг проходит меньший угол, чем статор. Изменение направления вращения происходит за счет варьирования коммутационных схем статорных обмоток.
ШД с постоянными магнитами
Агрегат оснащен подвижной частью на постоянных магнитах. Данная классификация создает увеличенные моменты вращения. Присутствует надежная фиксация при отключении управляющего сигнала. Но есть и недостаток – большой шаговый угол (7,5 – 90). Аргументируется тем, что крайне сложно производить ВЭ с постоянными магнитами, имеющий значительное количество полюсов. Обмотки, нередко, имеют ответвления. Различают:
- униполярный;
- биполярный ШЭ.
Первый отличителен одной обмоткой, расположенной на фазе, а ответвление в центре. Все секции запускают по отдельности. Расположение полюсов магнитного поля варьируется без непосредственного воздействия на направление тока. При этом коммутационная схема может выполняться на одном транзисторном элементе под каждую обмотку. Из преимуществ – простое управление, дешевый способ точного углового перемещения.
Второй имеет одну обмотку на фазу. В отличие от предыдущего, изменение магнитной полярности происходит путем варьирования направления тока. Следовательно, схема управления отличается более высокой сложностью. Имеет два вывода на фазу, но отсутствует общий вывод. Биполярные моторы имеют высокую мощность и объем, что делает их эффективными для осуществления определенных технических процессов.
Гибридные ШЭ
Сочетают в себе преимущества реактивных моторов и установок с постоянными магнитами. Агрегаты отличительны меньшим углом шага. Вращающиеся элемент гибридов выполнен цилиндрическим постоянным магнитом (ПМ). Процесс намагничивания происходит вдоль продольной оси, на которой размещены радиальные зубья. Особенности:
- меньший шаг, чем у реактивной установки и оборудования с постоянными магнитами;
- ротор – ПМ с тонкими зубьями;
- статорные полюсы оснащены аналогичными с ВЭ зубьями.
Неподвижная часть мотора примечательна 2-4 фазами. Они распределены между магнитными полюсами. Обмотки с центральным ответвлением, что предоставляет возможность униполярного управления. Изготовление обмотки с помощью бифилярной намотки. Полюсные зубья по габаритам соответствуют роторным. В соседних фазах идет смещение относительно друг друга на одну четверть деления.
Схемы управления различными трехфазными силовыми шаговыми двигателями
Специфика контролирования работоспособности ШД с ПМ заключается в подключении сфазированного переменного тока. Как показывает практика, последний – сигнал прямоугольной формы, который генерируется источником постоянного тока. Биполярный комплекс управления создает прямоугольный сигнал, изменяющиеся по направлению от плюса к минусу, а униполярный – изменяет направление магнитного потока одновременным воздействием двух сигналов. Они поочередно подаются на противоположные выводы. Существуют несколько способов управления двигателями, имеющие свои отличительные особенности. Первый – контроль посредством волнового управления. Представляет собой простейшую технологию с одновременным возбуждением всего лишь одной обмотки. Недостаток – формирование далеко не самого максимального момента.
ШД с ПМ имеет различный метод соединения статорных обмоток. Для взаимодействия с униполярным агрегатом нужна только одна полярность, что облегчает процесс контроля. Но, даже с учетом этого, требуется создание 4-х сигналов. Магнитное поле – один из основных аспектов, необходимых в осуществлении работы ШД, формируется обоими способами (униполярным, биполярным). Но касательно первого – нужно наличие центрального ответвления. Шаговое силовое оборудование, имеющее четыре вывода, управляется исключительно биполярной технологией. Соединение восмивыводных установок:
- униполярным способом;
- биполярной технологией, но при условии последовательного соединения. Примечателен высокой индуктивностью, малым током обмоток;
- биполярное параллельное соединение – обратный вышеупомянутому способу результат, т.е. выше ток, ниже индукция;
- с одной фазной обмоткой биполярным способом. Данное соединение отличительно тем, что используются 50% обмоток. Это снижает некоторые технические характеристики.
Для шестивыводного мотора можно задействовать униполярную методику, но при игнорировании центральных выводов возможно биполярное управление. С агрегатом, оснащенным пятью выводами, можно взаимодействовать униполярным методом. Обусловлено тем, что центральный вывод объединяет фазы.
Полношаговый способ
Электродвигатели, процесс управления которым осуществляется, учитывая полношаговую методику, отличительны более высоким моментом. Усиление происходит путем использования сразу нескольких обмоток. При этом шаг аналогичный волновому. Униполярный контроль нуждается в двух управляющих сигналах одинаковой полярности для каждого генерируемого биполярного сигнала. Однополярное управление – менее сложный, и более экономически выгодный метод регулирования функциональных возможностей. Для увеличения момент проводится дополнительная модернизация схемы – актуально, когда осуществляются сложные технические процессы на производстве.
Полушаговый
Как видно из названия, роторный шаг разделяется по 50%. Данная методика примечательна большим качеством позиционирования. Сочетает (комбинирует) волновое и полношаговое технологии. Снабжение электричеством поочередное – подпитывается одна обмотка, а потом – две. Количество шагов увеличивается вдвое, что гарантирует преимущества при проведении определенных технических процессов на предприятии.
Параметрическая методика
Пиковое скольжение почти не зависит активного сопротивления неподвижного элемента мотора. Добавление еще одного сопротивления в цепь показатель незначительно уменьшается. Касательно момента, то здесь все иначе – он может существенно снизиться. Итог – механическая характеристика видоизменяется.
Сопоставив вышеупомянутый итог с паспортной характеристикой агрегата, можно сказать, что внедрение вспомогательного сопротивление оказывает малое воздействие на скоростной параметр. С учетом стабильного неизменяемого момента скорость практически не снижается. Малая отзывчивость управления делает параметрическую методику практически неиспользуемой ввиду низкой эффективности. Установка индуктивного сопротивления имеет аналогичный с реактивным результат – малая эффективность. Наблюдается незначительное снижение скольжения, а моторный момент теряется существенней.
Интересно: Добавление сопротивления осуществляется, когда нужно повлиять на пусковой ток. Для этого задействуют дроссели (индукционное сопротивление), тиристоры (активное сопротивление) или пользуются симистором. Нужно учесть, что это уменьшает критический и пусковой моменты мотора. Поэтому пуск в таких условиях будет происходить, если статический пуск находится на малой отметке. Такое решение актуально в моторе с фазным ротором. Работа на низких скоростях и на большом статическом моменте провоцирует нестабильность скорости. Значительная вариативность характеристик вызывает значительные скачки скорости. Плавный разгон обеспечивается производством параллельного подключения реостата с индуктивной катушкой и роторными кольцами. Параметрическое управление трехфазными шаговыми двигателями имеет неприятное отличие – весомые потери энергии. Энергия, возникающая при скольжении, проходит через зазор между подвижной и статической частями. Далее, преобразуется в механическую, происходит нагрев сопротивления. Вся энергия расходуется во вторичных контурах реостата. Такой тип контроля задействуют при кратковременном снижении скорости, если этого требует технический процесс. Может использоваться в качестве основного способа регулировки, но, когда управляющие процессы тождественные пуску и торможению. Наиболее распространенные примеры – подъемные устройства.
Мониторинг работоспособности напряжением
Применение данного метода способствует сохранению механических характеристик, моменты снижаются. Изменения последних пропорциональны квадрату напряжения. Стандартные конструкции силового оборудования ограничивают диапазон регулировки работоспособности. Повышение параметра возможно в установках с большим скольжением. Есть отрицательный нюанс – нарушение стабильной работы. Исправить эту проблему можно эксплуатацией замкнутой системы, она же выравнивает скорость.
Регулярные перегрузки в процессе эксплуатации вынуждают мотор работать в предельной характеристике. Это вызывает существенный износ компонентов оснащения, снижение скорости. Основным регулятором выступает магнитный пускатель, тиристорный преобразователь. Последний, обычно, осуществляет работу в импульсном режиме. На статорных зажимах асинхронного мотора сохраняется средний показатель напряжения, который крайне необходим для стабилизации скорости.
Важно: Для глубокого регулирования напряжения задействуют трансформатор (Т). Но это крайне затратно, не всегда целесообразно ввиду недостаточного обеспечения элементами качества контроля. Эксплуатация Т делает возможным только ступенчатое варьирование напряжения. При этом дистанционное управление или ввод автоматической системы крайне затруднительно и затратно. Трансформаторы, как правило, использую с целью ограничения пусковых параметров высокомощных установок.
Контроль путем переключения секций статорных обмоток
В производстве используется оборудование, не требующее плавного регулирования, и, функционирующее на различных скоростях. Управление осуществляется посредством привода, предоставляющего дискретное/ступенчатое варьирование параметров. Представители таких установок – подъемники, взаимодействующие с металлами и древесными массивом, и т.д. Некоторые промышленные процессы могут требовать ограничение скоростей вращения. Это задача выполняется многоскоростными короткозамкнутыми моторами. Обмотка производит переключение пар полюсов. Они бывают:
- с несколькими обмотками, расположенными в пазах неподвижных и вращающихся частей;
- с одной обмоткой, с переключающимися секциями.
Первые проигрывают последним в плане технических характеристик и экономической целесообразности. В них крайне неэффективно эксплуатируются статорные обмотки, что снижает КПД работы. Следовательно, более распространены моторы с одной обмоткой.
Технология частотной регулировки
Есть нюансы, накладывающие ограничения на контролирование мотора. Плавное управление скоростями, которые находятся в широких пределах, с сохранением жестких характеристик проблематично. Оно возможно только при условии частичного контроля. Воздействуя на питающий ток (его частоту), изменяется скорость вращательного движения ВЭ. Применение методикой предусматривает предварительную установку частотного преобразователя, способного обеспечивать изменение частоты питающей сети в непрерывном режиме и в широких пределах.
Интересно: Производство современных полупроводниковых элементов позволило создать частотный преобразователь, на постоянной основе взаимодействующий с агрегатами повышенной мощности, исполнительными моторами приводов, с сервоприводами и следящими комплексами. Сложность частотной регулировки – не финальная проблема. Трудности возникают с осуществлением одновременного управления частотной, напряжением. Изменение частоты в меньшую сторону для снижения скорости, понижения напряжения сети вызывает сложность сохранения равновесия ЭДС. Данная неприятность решается увеличением показателя магнитного потока. Магнитная цепь насыщается, ток постепенно нарастает. Итог – нормальное функционирование асинхронного мотора с частотным управлением, сохранением напряжения попросту невозможно. Уменьшение частоты для стабилизации магнитного потока производится со снижением уровня напряжения. Это говорит о том, что такой тип мониторинга, предполагающий управление частотой трехфазного шагового оборудования - двигателя, примечателен наличием нескольких каналов регулировки.
