Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Запрещается снимать  защитное ограждение вращающихся частей работающего электродвигателя и  механизма.

189. При работе на электродвигателе заземление может быть установлено на любом участке кабельной линии, соединяющей электродвигатель с РУ, щитом или сборкой.

Если на отключенном  электродвигателе работы не проводятся или прерваны на несколько дней, то отсоединенная от него кабельная  линия должна быть заземлена со стороны  электродвигателя.

В тех случаях, когда  сечение жил кабеля не позволяет применять переносные заземления, допускается у электродвигателей напряжением до 1000 В заземлять кабельную линию медным проводником сечением не менее сечения жилы кабеля либо соединять между собой жилы кабеля и изолировать их. Такое заземление и соединение жил кабеля должно учитываться в оперативном журнале наравне с переносным заземлением.

190. Перед допуском к работам на электродвигателях, способных к вращению за счет соединенных с ними механизмов (дымососов, вентиляторов, насосов и др.), штурвалы запорной арматуры (задвижек, вентилей, шиберов и тому подобного) должны быть заперты на замок. Кроме того, должны быть приняты меры по затормаживанию роторов электродвигателей или расцеплению соединительных муфт.

Необходимые операции с  запорной арматурой должны быть согласованы с начальником смены структурного подразделения организации и выполнены работающими данного структурного подразделения с записью в оперативном журнале.

191. Со схем ручного, дистанционного и автоматического управления электроприводами запорной арматуры, направляющих аппаратов должно быть снято напряжение.

Штурвалы задвижек, шиберов, вентилей должны быть заперты на замок  и на них вывешены плакаты «НЕ  ОТКРЫВАТЬ! РАБОТАЮТ ЛЮДИ», а на ключах, кнопках управления электроприводами запорной арматуры – «НЕ ВКЛЮЧАТЬ! РАБОТАЮТ ЛЮДИ».

192. На однотипных или близких по габариту электродвигателях, установленных рядом с тем, на котором предстоит выполнить работу, должны быть вывешены плакаты «СТОЙ! НАПРЯЖЕНИЕ» независимо от того, находятся они в работе или в резерве.

193. Работы по одному наряду на электродвигателях одного напряжения выведенных в ремонт агрегатов, технологических линий и установок могут выполняться в соответствии с требованиями пункта 301 настоящих Межотраслевых правил. Допуск на все заранее подготовленные рабочие места разрешается выполнять одновременно, оформление перевода с одного рабочего места на другое не требуется. При этом опробование или включение в работу любого из перечисленных в наряде электродвигателей до полного окончания работы на других не допускается.

194. Работа на вращающемся электродвигателе без соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями может проводиться по распоряжению.

195. Опробование электроприводов задвижек, исполнительных механизмов при соединении их электропривода с шибером, задвижкой и другими устройствами должна проводить бригада с разрешения начальника смены структурного подразделения организации, в котором они установлены.

О выдаче разрешения делается запись в оперативном журнале  структурного подразделения организации, а о получении этого разрешения – в оперативном журнале структурного подразделения организации, проводящего опробование.

196. Порядок включения электродвигателя для опробования должен содержать следующие операции:

производитель работ выводит бригаду с места работы, оформляет перерыв в работе и сдает наряд оперативно-ремонтному персоналу;

оперативно-ремонтный персонал снимает  установленные заземления, плакаты  безопасности, выполняет сборку схемы.

После опробования при необходимости продолжения работы на электродвигателе оперативно-ремонтный персонал вновь подготавливает рабочее место и бригада по наряду повторно допускается к работе на электродвигателе.

197. Включать и отключать электродвигатели пусковой аппаратурой с приводами ручного управления необходимо в электроизолирующих перчатках.

198. Ремонт и наладку электрических схем электроприводов, не соединенных с исполнительным механизмом, регулирующих органов и запорной арматуры допускается проводить по распоряжению. Их опробование разрешает лицо, отдавшее распоряжение. Запись об этом должна быть сделана при регистрации распоряжения.

После опробования при  необходимости продолжения работы на электродвигателе на повторный допуск распоряжение выдается заново.

199. К обслуживанию щеточного аппарата на работающем электродвигателе допускается по распоряжению специально обученный персонал, имеющий группу по электробезопасности не ниже III. При выполнении данных работ обязательно соблюдение требований по охране труда, указанных в пункте 164 настоящих Межотраслевых правил.

Шлифовать кольца ротора на вращающемся электродвигателе допускается  лишь с помощью колодок из изоляционного  материала с применением средств  индивидуальной защиты органов зрения.

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Конструкция  и технические характеристики исполнительных двигателей для робототехнических устройств(СДПМ, БДПТ, шаговые).

 

3.1. СДПМ

Синхронный  двигатель с постоянными магнитами (СДПМ), благодаря своим высоким  эксплуатационным характеристикам, является наиболее перспективной машиной  в диапазоне малых и средних мощностей. СДПМ простой по конструкции, не имеет потерь на возбуждение и обладает высокой стабильностью скорости ротора. Эти качества выделяют его из ряда всех остальных машин и обеспечивают ему применение в системах автоматики, приводах подачи станков, прецизионных системах слежения, а также системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъявляемым к технологическому процессу.Постоянное удешевление магнитных материалов, в частности, внедрение сплавов редкоземельных металлов, совершенствование аппаратной базы управления делают возможным использование этого типа двигателей в тех областях, где традиционно применялись двигатели постоянного тока (ДПТ) или асинхронные двигатели (АД). Использование СДПМ как альтернативы ДПТ в регулируемом приводе стало возможным с появлением соответствующей преобразовательной и цифровой вычислительной техники. Прежде всего, это связано с внедрением преобразователей на транзисторах с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)), использованием принципов широтно-импульсной модуляции (ШИМ, Pulse Width Modulation (PWM)), преобразования переменного тока в переменный (АС-АС). 
Направление развития принципов управления обуславливается развитием аппаратной базы привода: параметрами самого двигателя и его качествами, наличием датчиков угла поворота и (или) скорости, типом преобразователя, вычислительной мощностью контроллера. Реализация управления СДПМ с учетом этих требований позволяет судить об эффективности используемых алгоритмов. 
В литературе часто встречается понятие вентильного двигателя (ВД) или бесколлекторного двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов (Brush-less Direct Current Motor with Permanent Magnets). Эта машина по своей конструкции ничем не отличается от классического СДПМ, изменен лишь принцип питания. СДПМ питается от источника переменного тока или напряжения, как правило, формируемого при помощи ШИМ, а ВД - трапециидальным напряжением, питающим соответствующие фазы двигателя, и переключаемым по мере поворота ротора. 
На протяжении последних 20 лет представление уравнений СДПМ в роторной системе координат стало основным способом описания его работы. Уравнения машины во вращающихся координатах обеспечивают большую наглядность протекающих в обмотках статора процессах. Действительные токи и напряжения статора в приведенной двухфазной неподвижной системе координат связаны с роторными величинами однозначным преобразованием. Эти преобразования основаны на предположении о симметричности электрических и магнитных цепей всех обмоток. Кроме роторной системы координат иногда применяется статорная, при этом значение индуктивности обмоток статора связано тригонометрическими зависимостями с угломконтроллер. 
Применение наблюдателей состояния (State Observers) является естественным способом восстановления значения вектора состояния с использованием матричного представления системы. Так выполняется разложение вектора объекта на наблюдаемую и измеряемую части, и соответствующее ему разложение матрицы состояния объекта с целью построения наблюдателя О'Рейли. 
Наблюдатель используется для предсказания значения токов на 1 цикл вперед, что решает проблему устранения запаздывания управления. Однако предлагаемая система построена без учета магнитного насыщения, потерь в меди и стали, анизотропности ротора двигателя (индуктивности по осям d и q приняты равными), что снижает оптимальность предлагаемого метода. 
Другим способом управления является применение систем со скользящими режимами (Sliding Mode Systems) . Особенность этих систем, принадлежащих к системам с переменной структурой, состоит в том, что знак управления меняется при пересечении так называемой поверхности скольжения, представляющей собой специальным образом составленное уравнение, в которое в качестве переменных входят переменные состояния объекта. Недостатками такого метода являются возможная потеря устойчивости на участке достижения поверхности переключения; высокочастотные переключения, которые ведут к быстрому износу механических и электрических частей привода; высокие требования к преобразователю. 
Прямое управление моментом (Direct Torque Control (DTC)) может быть осуществлено при питании синхронного двигателя от инвертора тока. Такие системы обладают рядом преимуществ: достигается робастность по отношению к разбросу параметров, упрощается алгоритм управления за счет отсутствия токового контура регулирования, обеспечивается высокое быстродействие системы. Однако метод не избавлен от серьезного недостатка: при малых углах нагрузки возникают пульсации момента и колебания скорости ротора. 
Нейронные сети (Neuron Network), использованные для построения алгоритма управления СДПМ от инвертора переменный ток - переменный ток (АС-АС) представляют собой самообучающиеся сети, включающие в себя три слоя нейронов - входной, скрытый и выходной. Обучение влияет на значение весовых коэффициентов в передаточных функциях нейронов. Алгоритмы расчета не относятся к простым алгоритмам по вычислительной нагрузке. Синхронный двигатель с постоянными магнитами (СДПМ), благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам, является наиболее перспективной машиной в диапазоне малых и средних мощностей. СДПМ простой по конструкции, не имеет потерь на возбуждение и обладает высокой стабильностью скорости ротора. Эти качества выделяют его из ряда всех остальных машин и обеспечивают ему применение в системах автоматики, приводах подачи станков, прецизионных системах слежения, а также системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъявляемым к технологическому процессу.Качественно новым методом управления СДПМ является использование наблюдателя неопределенностей (Uncertainties Observer). Это направление в данной области получило развитие в самое последнее время. Суть систем, построенных по такому принципу, состоит в сведении неопределенностей параметров и внешних возмущений в единый вектор неопределенностей, его оценка и компенсация с помощью наблюдателя, а также задание степени робастности путем его настройки. Привлекательность метода состоит в том, что в качестве неопределенностей могут рассматриваться нелинейности системы, обусловленные насыщением магнитной цепи, которые прямо не отражены в уравнениях машины, но оказывают влияние на динамические процессы в приводе. Кроме того, предлагаемые алгоритмы отличаются относительной вычислительной простотой. 
Существует еще одна интересная методика; процессы в двигателе разбиваются на две группы: быстрые и медленные. К медленным процессам относятся электромеханические, к быстрым - электромагнитные. Разделение системы на две подсистемы и решение их с помощью итерационных алгоритмов позволяет построить бездатчиковый алгоритм, более выгодный с точки зрения вычислительной нагрузки, чем алгоритмы с фильтром Калмана. 
Кроме описанных подходов, построенных для качественной отработки программного задания, существует ряд методов, построенных на основе оптимизации энергопотребления с учетом параметров двигателя. 
В большинстве работ, авторы преследуют стратегию поддержания тока Id = 0 с целью избавления от "вредного" возмущающего слагаемого в уравнении момента двигателя. Однако такой режим работы привода не является оптимальным с точки зрения потерь в меди, т.к. развиваемый двигателем момент можно достичь при меньших реальных токах. По сути дела, СДПМ с радиальным расположением магнитов Ld Ф L является комбинацией "чистого" СДПМ и синхронного реактивного двигателя. Ясно, что оптимум работы такого двигателя не может быть реализован стратегией Id = 0 . Исследования поведения СДПМ при ненулевых размагничивающих токах свидетельствуют о возможности значительного снижения энергопотребления СДПМ (на 30% ). 
Подход, целью которого является выявление неисправностей ВДПМ во время работы: Этот метод основан на определении значений сигнальных функций. При неисправности двигателя с помощью разности показаний оценивателей (уравнений модели системы, где по нескольким данным параметрам вычисляются остальные) и датчиков строится таблица идентификации поломок. 
Можно выделить следующие основные приоритеты развития алгоритмов управления. 
1. Точность отработки программного задания (скорости или положения ротора). В отношении СДПМ это требование актуально в смысле возможных подсинхронных колебаний скорости ротора. Кроме этого, существуют ограничения на динамические режимы машины - с использованием существующих робастных методов можно сформировать практически любой переходный процесс, но скачки токов могут не пройти безвредно для магнитной системы ротора. Определение допустимой границы динамических режимов является большим полем для развития методов управления. 
2. Нечувствительность к неопределенностям параметров СДПМ и помехам. При наличии больших коэффициентов усиления регуляторов, обеспечивающих робастность системы, последняя становится чувствительной к высокочастотным помехам. 
3. Минимизация электропотребления. Разработка алгоритмов, оптимизирующих потребляемую приводом мощность как в статических, так и в динамических режимах, может быть осуществлена за счет размагничивающих токов продольной оси. 
4. Расширение диапазона регулирования в сторону малых скоростей. Проблема связана с влиянием пульсаций момента на малых скоростях. При больших скоростях пульсации момента не оказывают существенного влияния, т.к. они фильтруются за счет инерционности ротора. 
5. Уменьшение количества датчиков. Очевидно, что датчики механических величин значительно ухудшают эксплуатационные и стоимостные параметры привода. Устранение датчиков повышает надежность электропривода. Использование встроенных оптических датчиков положения в современных приводах и получение скорости путем дифференцирования положения является приемлемым путем решения данной проблемы. Однако, следует отметить, что бездатчиковые алгоритмы более чувствительны к разбросу параметров. 
6. Простота алгоритмов в аспекте вычислительной нагрузки. Несмотря на стремительный рост мощности процессоров, более простые алгоритмы обеспечивают меньшее время расчета, а значит, и фазовую задержку управления. Кроме того, более простые алгоритмы позволяют использовать более дешевые микропроцессоры. 
7. Исследование работоспособности СДПМ с многомассовыми объектами управления. СДПМ часто применяется как серводвигатель в роботизированных системах, динамика которых очень сложна. Такие объекты относятся к классу неопределенных. В то же время, требования к точности управления роботами очень высоки, что ставит соответствующую задачу. Обилие публикаций, разнообразие применяемых методик, их новизна и качественное отличие друг от друга свидетельствуют об интенсивности исследований в данной области, подчеркивают перспективность данного класса электрических машин, совместивших в себе простоту двигателя переменного тока, а по возможностям управления превзошедших ДПТ. Из наблюдаемой динамики роста популярности СДПМ можно сделать вывод о необходимости разработки алгоритмов управления, связанных с использованием прямого управления моментом, наблюдателей состояния и неопределенностей, адаптивных алгоритмов и нейронных сетей, алгоритмов управления, обеспечивающих оптимизацию потребляемой мощности и показателей качества.

 

 

3.2.БДПТ

Характерные особенности бесконтактных двигателей

Коллекторные двигатели  постоянного тока обладают хорошими регулировочными свойствами и экономичны, но наличие скользящего контакта коллектор – щетки ограничивает область их применения.

В настоящее время  в связи с развитием силовой полупроводниковой электроники появились и начали получать все более широкое распространение бесконтактные двигатели постоянного тока. При замене механического коммутатора – коллектора с щетками полупроводниковым коммутатором двигатель постоянного тока становится более надежным и долговечным, создает меньше радиопомех, особенно при высоких частотах вращения, когда очень быстро изнашиваются щетки и значительно увеличиваются искрение и радиопомехи.

В отличие от обычного коллекторного двигателя бесконтактный двигатель постоянного тока обладает рядом характерных особенностей.

1. Силовая обмотка  якоря расположена на статоре  и состоит из нескольких катушек,  сдвинутых относительно друг  друга в пространстве. Ротор выполняют  в виде постоянного магнита.

2. Положение оси магнитного  потока ротора по отношению  к осям катушек силовой обмотки  статора определяется бесконтактными  датчиками (трансформаторными, индукционными,  магнитоэлектрическими, фотоэлектрическими).

3. Бесконтактный полупроводниковый  коммутатор осуществляет коммутацию катушек силовой обмотки статора по сигналам датчиков положения. При мощности двигателей до 0,5 – 1 кВт в качестве коммутирующих элементов обычно используются транзисторы, при большей мощности – тиристоры.

Эти факторы позволяют  при устранении скользящего контакта коллектор–щетки сохранить основную особенность машины постоянного тока, заключающуюся в том, что частота переключения катушек обмотки якоря определяется частотой вращения ротора. Благодаря этому бесконтактный двигатель постоянного тока в основном сохраняет характеристики коллекторного двигателя с независимым возбуждением.

 

 

Конструкция бесконтактного двигателя

 

Рассмотрим простейшую конструкцию бесконтактного двигателя (рис.1).

В корпусе 1 расположены  электромагнитные системы двигателя и датчика положения. Магнитопровод статора двигателя 2 выполнен из электротехнической стали. В его пазах расположена обмотка 3, состоящая из двух обмоток, сдвинутых в пространстве на 90°. Каждая обмотка представляет собой сосредоточенную многовитковую катушку. Ротор 4 с одной парой полюсов изготовлен из постоянного магнита. При подаче постоянного напряжения на обмотку статора по ней проходит ток, который по взаимодействии с магнитным потоком ротора создает вращающий момент.

Роль датчика положения ротора относительно обмотки статора выполняют два магнитоуправляемых диода Д1 и Д2, расположенных на дополнительном кольцевом магнитопроводе 5, и вращающийся ферромагнитный диск 6. Диск имеет немагнитную вставку 7, занимающую половину его толщины на половине окружности. Магнитный поток датчика Фд создается постоянным магнитом 8 с радиальной намагниченностью. Каждый из магнитоуправляемых диодов одну половину оборота вала находится в зоне действия магнитного потока Фд и открыт, а вторую - вне зоны действия магнитного потока Фд и закрыт.

Работа датчиков и  полупроводникового коммутатора К (рис.2) согласована при расположении датчиков Д1 и Д2 по осям обмоток статора 1 и 2 и линии симметрии диска  СС перпендикулярно оси полюсов  ротора. В положении, изображенном на рис.2, a, сигнал, управляющий коммутатором, снимается с датчика Д1, и коммутатор подает на обмотку 1 напряжение указанной на рисунке полярности.

Когда сигнал отсутствует, коммутатор К подает на обмотку 1 напряжение противоположной полярности (рис. 2, б). Аналогично со сдвигом на 90° подключается к коммутатору обмотка 2 по сигналам датчика Д2. При этом изменение коммутатором полярности напряжения на обмотках статора осуществляется в момент перехода оси потока ротора через ось данной обмотки статора. Тем самым обеспечивается изменение направления тока в обмотке статора при подходе оси полюса ротора противоположного знака. Следовательно, сохраняется одно направление вращающего момента эм, создаваемого силами Fэм, в пределах полного оборота ротора, т.е. выполняется роль коллектора электрической машины постоянного тока.

На рис.3 показана схема  подключения обмоток двигателя  к транзисторам TI и Т8 коммутатора  и таблица, определяющая порядок  переключения транзисторов по сигналам датчиков Д1 и Д2.

Известно, что электромагнитный момент, действующий на виток с током, помещенный в магнитное поле, пропорционален току витка и магнитному потоку и зависит от угла между осями витка и поля. Зависимость электромагнитного момента от угла поворота ротора для двухобмоточного двигателя, включенного по схеме рис. 3, показана на рис. 4.

На этом рисунке M1 и M2 – моменты взаимодействия раздельно  с 1 и 2 обмотками, M1,2 - результирующий момент.

Как видно из графиков M1 и M2, при включении напряжения только на одну обмотку статора ротор двигателя не приходит во вращение, если начальное положение ротора соответствует углу Θ, при котором вращающий момент эм меньше момента сопротивления на валу. Кроме того, существенная пульсация вращающего момента в пределах оборота ротора приводит, соответственно, к нестабильности мгновенной угловой скорости ротора.

При наличии двух (и  более) обмоток на статоре уменьшение момента взаимодействия ротора с  одной из обмоток компенсируется увеличением момента взаимодействия с другой. Соответственно, обеспечивается достаточно большой пусковой момент при любом угловом положении ротора, снижение пульсации вращающего момента в пределах оборота и нестабильности мгновенной угловой скорости ротора.

Характеристики бесконтактных  микродвигателей тем ближе к  характеристикам классического двигателя постоянного тока, чем больше число обмоток на статоре. Однако пропорционально числу обмоток увеличивается необходимое число чувствительных элементов датчиков положения и число транзисторов в коммутаторе. Поэтому практически число обмоток нецелесообразно более трех–четырех.

 

 

 

 

Схема электромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя

 

Для повышения стабильности момента и угловой скорости в  пределах оборота применяют специальные  схемы модуляции тока в обмотках статора.

В настоящее время крупными сериями выпускаются только бесконтактные микродвигатели. Однако наблюдается тенденция роста выпуска бесконтактных двигателей малой мощности, которые могут составить конкуренцию высокомоментным двигателям, используемым в промышленных роботах, приводах подач обрабатывающих центров и т.д. Объясняется это, в частности, тем что сами бесконтактные двигатели имеют меньшие габариты и массу, чем коллекторные, так как у них лучше условия охлаждения – источники тепла только на статоре, и отсутствует такой источник нагрева, как узел трения коллектор–щетки. Правда, бесконтактный двигатель не может работать без полупроводникового коммутатора.

В ряде случаев двигатели  постоянного тока целесообразно  делать линейными.

На рис.5, а показана схема электромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя. Корпус индуктора 1 выполнен из ферромагнитного материала и служит внешним магнитопроводом. В корпусе расположены постоянные магниты 2, создающие поток возбуждения Фв, индуктор является подвижной частью линейного двигателя. Якорь 3 представляет собой диэлектрическую пластину, на поверхности которой методом фотолитографии выполнена печатная схема проводников 4. Якорь является неподвижной частью двигателя. Длина якоря lя больше длины индуктора lи на длину хода индуктора. Проводники якоря объединены в катушки, оси которых сдвинуты по длине якоря. Выводы катушек подсоединены к полупроводниковому коммутатору. На рис. 5, б показана схема кинематического звена поступательного перемещения с линейным двигателем. Якорь 3 прикреплен к неподвижной направляющей 5, а индуктор 1 – к подвижной каретке 6. На направляющей по осям катушек якоря расположены сигнальные элементы, вызывающие срабатывание датчиков положения индуктора относительно якоря, расположенных на каретке.

Работа линейного бесконтактного двигателя мало отличается от работы рассмотренного ранее вращающегося бесконтактного двигателя. Различие состоит  в том, что силы электромагнитного  взаимодействия тока якоря с полем  возбуждения индуктора создают  тяговое электромагнитное усилие Fтяг в плоскости якоря, которое приводит к поступательному перемещению индуктора.