4. FEJEZET MOTORHAJTÁSOK

Átírás

1 Tantárgy: TELJESÍTMÉNYELEKTRONIKA Tanár: Dr. Burány Nándor Tanársegéd: Mr. Divéki Szabolcs 5. félév Óraszám: FEJEZET MOTORHAJTÁSOK Széles skála: o W...MW, o precíz pozícionálás...goromba sebességvezérlés. Motorfajták: o egyenáramú motor, o aszinkron motor, o szinkron motor, o léptetõ motor. 2 1

2 4.a MOTORHAJTÁSOK - BEVEZETÕ - TÖMBVÁZLAT Sebességet vagy pozíciót szabályozunk. A sebesség/pozíció érzékelõ nem kötelezõ. A bemenõ utasítást vagy a kezelõ személy adja meg vagy a folyamatot vezérlõ számítógép. 3 4.b MOTORHAJTÁSOK - BEVEZETÕ - TERVEZÉSI FELTÉTELEK Meg kell ismerni a terhelést (tehetelenség, forgásirány, sebesség, nyomaték, dinamika, van-e fékezés...). Az ismeretek alapján meghatározható a hajtás sebesség és nyomatékigénye. A nyomatékból meghatározhatók a motor áramai. Az áramok alapján felbecsülhetõ a melegedés. 4 2

3 4.c MOTORHAJTÁSOK - BEVEZETÕ - A TELJESÍTMÉNYELEKTRONIKAI BERENDEZÉS MÉRETEZÉSE A telj. el. berendezés rendszerint feszültség kimenetû. A motor modellje tartalmaz induktivitást, ellenállást, indukált elektromotoros erõt. A motor árama a pillanatnyi feszültségtõl függõen nõl/csökken. A nyomaték rendszerint arányos az árammal. A motor melegedése rendszerint lassúbb folyamat, mint a telj. el. rész melegedése - a meghajtót motor csúcsáramára kell méretezni. 5 4.d MOTORHAJTÁSOK - BEVEZETÕ - AZ ÁRAMSZABÁLYZÁS A nyomaték ill. az áram gyors változtatásához (szervóhajtás) az indukált elektromotoros erõnél jóval nagyobb feszültség kell. Az induktivitás annál jobb, minél kisebb. A nagy áramhullámzás elkerülése végett minél magasabb kapcsolási frekvenciát kell alkalmazni. di v e dt L 6 3

4 4.1. EGYENÁRAMÚ HAJTÁSOK Az egyenáramú motorokat találták fel és alkalmazták elõször. A szabályozott hajtásokba is ezek kerültek be elõször. Kitûnõ meghajtó tulajdonságok. A karbantartásuk költségesebb, mint a többi motornál a AZ EGYENÁRAMÚ MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS MODELLEZÉSE - FLUXUS ÉS NYOMATÉK A mezõfluxust (Ö f ) az állórész hozza létre. Két megoldás: gerjesztés állandó mágnessel vagy gerjesztõtekerccsel. A forgatónyomaték: T em k f f i a 8 4

5 4.1.1.b AZ EGYENÁRAMÚ MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS MODELLEZÉSE - FESZÜLTSÉG, ÁRAM, TELJESÍTMÉNY A forgórész mágneses térben mozog, feszültség indukálódik: ea k e f m A felvett (villamos) teljesítmény: Pe eaia ke f mia A mechanikai teljesítmény: Pm Tem m k f f mi Ha elhanyagoljuk a veszteségeket: P k = k e P m e f a c AZ EGYENÁRAMÚ MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS MODELLEZÉSE - MECHANIKAI MODELL Az elektromágneses forgatónyomaték a mechanikai terheléssel tart egyensúlyt: A motor forgórészére (armatúra) kapcsolt feszültség az Ohm-os és induktív feszültségeséssel, valamint az elektromotoros erõvel tart egyensúlyt: v e R i t a a a T L em a dm J dt dia dt B m T WL (t) 10 5

6 4.1.1.d AZ EGYENÁRAMÚ MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS MODELLEZÉSE - ÜZEMMÓDOK A kapocsfeszültség megfordításával a forgásirány megfordítható. Az áramirány megfordításával megfordul a nyomaték: (generátoros) fékezés történik. Ilyenkor az indukált feszültség nagyobb a kapocsfeszültségnél e AZ EGYENÁRAMÚ MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS MODELLEZÉSE - AZ ÁLLANDÓMÁGNESES MOTOR JELLEGGÖRBÉI Állandó kapocsfeszültség mellett a motor fordulatszáma megközelítõleg állandó, de a terheléssel arányosan enyhén csökken: 1 R a m Vt Tem ke kt Az egységesített normalizált diagram mutatja a V t és az E a függését a fordulatszámtól állandó nyomaték és armatúraáram mellett. 12 6

7 4.1.1.f AZ EGYENÁRAMÚ MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS MODELLEZÉSE - A KÜLSÕ GERJESZTÉSÛ MOTOR JELLEGGÖRBÉI A gerjesztõáram és a fluxus szabályozható. A névleges fordulatszámig rendszerint a fluxus állandó. A fordulatszám képlete: A mezõgyöngítéses tartományban a gerjesztés csökkentésével növelhetjük a fordulatszámot (csökkenõ nyomaték mellett.) 1 m k e f Ra V t kt f T em MOTORHAJTÓ ÁTALAKÍTÓK EGYENÁRAMÚ MOTOROKHOZ - ALAPOK A feladatok: egy-, két- és négy negyedes üzem (a kapocsfeszültség és/vagy áram elõjelének változtatása). áramszabályzás, áramkorlátozás (rendszerint a motor névleges áramának többszörösét is biztosítani kell), kis áram-hullámzás. 14 7

8 4.1.2.a MOTORHAJTÓ ÁTALAKÍTÓK EGYENÁRAMÚ MOTOROKHOZ - LEHETSÉGES MEGOLDÁSOK Tirisztoros egyenirányítók: lehet szabályozni, jó hatásfok, egyszerû vezérlés, nagy hullámosság. Buck átalakító (rendszerint LC nélkül): egynegyedes hajtást tesz lehetõvé. Félhíd kapcsolás: hajtás és fékezés egy irányban. Hídkapcsolás: négynegyedes üzem b MOTORHAJTÓ ÁTALAKÍTÓK EGYENÁRAMÚ MOTOROKHOZ - HÍDKAPCSOLÁSOK - MEGHAJTÓ ÁLLANDÓ MÁGNESES VAGY KÜLSÕ GERJESZTÉSÛ MOTORHOZ A híd táplálását rendszerint hálózati egyenirányító végzi. A kimeneti áram simítását a motor tekercsének induktivitása elvégzi. Az áram hullámosságának csökkentése érdekében unipoláris PWM-et alkalmazunk (a hullámosság növeli a veszteségeket!). Az egyenirányító rendszerint nem tud energiát visszatáplálni a hálózatba - ezért szükséges a fékezõ (ürítõ) ellenállás. 16 8

9 4.1.2.c MOTORHAJTÓ ÁTALAKÍTÓK EGYENÁRAMÚ MOTOROKHOZ - HÍDKAPCSOLÁSOK - SOROS GERJESZTÉSÛ MOTOR EGYENÁRAMÚ MEGHAJTÁSA A soros motor nagy nyomatékot ad induláskor - vontatásnál fontos. A kapocsfeszültség polaritásváltása nem fordítja meg a forgásirányt, mert a mágneses tér iránya is megfordul - szét kell kapcsolni a forgórésztekercset az állórésztekercstõl és csak az egyikben fordítani meg az áramirányt a hídkapcsolással ASZINKRON HAJTÁSOK Az aszinkron (indukciós) motor nagyon elterjedt az iparban egyszerû szerkezete és minimális karbantartási igénye miatt. Sok aszinkron motornál nem alkalmaznak semmilyen szabályzást (esetleg csillag-delta indítás vagy tirisztoros lágyindítás). A szabályozott aszinkron hajtások egyszerûbb esete a goromba sebességszabályzás. Korszerû vezérlési technikákkal ma az aszinkron motorok is használhatók szervóhajtásokra (precíz pozíció és sebesség beállítással). 18 9

10 AZ ASZINKRON MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS JELLEMZÕI - BEVEZETÕ Az állórész vasmagból és a benne elhelyezett tekercsekbõl áll. Az állórész tekercsekre háromfázisú feszültséget/áramot vezetünk, ami forgó mágneses teret eredményez a szinkron fordulatszámon: s 120 ns 60 f 2 p A forgórész rendszerint vasmagból és rövidrezárt tekercsbõl (kalicka) áll. A forgórészben a forgó mágneses tér hatására feszültség indukálódik, ami áramokat és újabb (forgórásztõl eredõ) mágneses teret hoz létre. A forgórész tere (a névleges munkapontban) néhány százalékkal lassabban forog, mint az állórész tere. A különbség a csúszás: sl s r Az állórész forgó mágneses terének és a forgórész áramainak kölcsönhatására alakul ki a forgatónyomaték a AZ ASZINKRON MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS JELLEMZÕI - NYOMATÉKGÖRBE Névleges feszültségû és frekvenciájú táplálás mellett a terhelés növelésével növekszik a csúszás. A terhelés a billenõnyomatékig növelhetõ, utána a motor leáll. A motor általában a jelleggörbe lineáris részén (kevéssel a szinkron fordulatszám alatt) mûködik

11 4.2.1.b AZ ASZINKRON MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS JELLEMZÕI - A FELVETT ÁRAM A szinkron fordulatszámtól (üresjárat közelében) a névleges terhelésig a motor árama a csúszással arányosan nõl. A terhelés további növelésével az áram tovább nõl - ez tartós üzemben nem engedhetõ meg. Közvetlen indításnál a motor a névleges áram többszörösét veszi fel (általában 5x...6x). Az indító áram vagy a tápfeszültség csökkentésével csökkenthetõ (lágyindító) vagy a feszültség és a frekvencia egyidejû csökkentésével c AZ ASZINKRON MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS JELLEMZÕI - VEZÉRELHETÕSÉG Szabályozott hajtásnál a motor számára szükséges váltófeszültséget háromfázisú inverterrel állítjuk elõ. A fordulatszám változtatását a tápfrekvencia változtatásával érjük el - ezzel eltolódik a nyomatékgörbe. Állandó nyomaték fenntartásához a feszültség effektív értékét nagyjából arányosan kell változtatni a frekvenciával 22 (U s /f const). 11

12 4.2.1.d AZ ASZINKRON MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS JELLEMZÕI - NORMALIZÁLT GÖRBÉK Nullától a néveleges fordulatszámig a feszültséget lineárisan kell emelni, így a felvett áram és a nyomaték nagyjából állandó. A motor mûködhet a névleges fordulatszám felett is, de a feszültség nem növelhetõ tovább, a nyomaték csökken (mezõgyöngítéses tartomány) d AZ ASZINKRON MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS JELLEMZÕI - FÉKEZÉS, GENERÁTOROS ÜZEM Az aszinkron motorok megfelelõ vezérlés mellett alkalmasak négynegyedes üzemre. A forgásirány a fázissorrend (elektronikus) megváltoztatásával változtatható. A motor fékezése a tápfrekvencia fokozatos csökkentésével érhetõ el. A frekvencia csökkentésével negatív csúszást érünk el, ami a forgatónyomaték irányának megfordulásával jár (generátoros üzem). Generátoros üzemmódban az energia a mechanikai rendszerbõl visszatáplálódik a villamos rendszerbe

13 FREKVENCIAVÁLTÓS ASZINKRON HAJTÁSOK A tápfrekvencia (f s ) változtatásával változtatjuk a szinkron fordulatszámot. A tényleges fordulatszám ennek a közelében lesz. Egyidejûleg szükséges a sztátorfeszültség (V s ) effektív értékének nagyjából arányos változtatása is, ahhoz, hogy a rotoráramot és a légrésfluxust állandó szinten tartsuk. Az aszinkron motor vezérléséhez tehát változtatható frekvenciájú és amplitúdójú szinuszfeszültség szükséges. A hajtást háromfázisú inverterekkel végzik. Nagyon nagy teljesítményû hajtásoknál tirisztoros ciklokonvertereket alkalmaznak. Mindez háromfázisú motorokra érvényes. Egyfázisú aszinkron motorok sebességszabályzásával általában nem foglalkoznak (habár megoldható lenne) ASZINKRON MOTOROK LÁGYINDÍTÁSA A kezdeti nagy áramlökés miatt a nagy aszinkron motorokat nem közvetlenül indítják. Lágyindítóval a feszültség effektív értékét fokozatosan emelik nulláról a névleges értékre. Kis terhelés mellett ez a berendezés használható a veszteségek csökkentésére is: felfutás után lecsökkentik a feszültséget - így is nagyjából névleges fordulatszámot kapnak

14 4.3. SZINKRON HAJTÁSOK - ALAPOK Szinkron motor építhetõ állandó mágneses forgórészel (BLDC - brushless DC motor) (a) és tekercselt forgórésszel (b). A tekercselt forgórészt egyenáramal táplálják - elektromágnest hoznak létre SZINKRON MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS JELLEMZÕI Az állórész háromfázisú tekercselésû, háromfázisú szinuszos árammal táplálják. Az állórész áramai szinkron sebességgel forgó mágneses teret hoznak létre. Az állórész és a forgórész mágneses tereinek a kölcsönhatásaként forgatónyomaték jön létre. A szinkron motornál a forgórész rendszerint szinkron sebességgel forog, de van bizonyos szögeltolódás a két mágneses tér iránya között. A létrejövõ forgatónyomaték a szög szinuszával arányos: T k I sin em t f a 28 14

15 SZINKRON MOTOR VEZÉRLÉSE SZINUSZOS ÁRAMOKKAL Mérni kell a forgórész mágneses terének irányát és az állórész áramaival erre merõleges irányú mágneses teret kell létrehozni. Így a motor nem esik ki a szinkron üzembõl és maximális nyomatékot ad. A vezérlõáramkör folyamatosan számítja a sztátor áramok pillanatnyi referens értékeit. A PWM inverter létrehozza a megadott áramértékeket SZINKRON MOTOR VEZÉRLÉSE NÉGYSZÖG ÁRAMOKKAL Kis teljesítmény, állandó mágneses forgórész. Az indukált feszültség trapéz alakú. A sztátor áramok négyszög alakúak. A forgórész szögállását rendszerint Hallféle szenzorokkal határozzák meg - ettõl függõen kapcsolgatják az áramokat

16 SZINKRON MOTOR VEZÉRLÉSE TERHELÉS OLDALI KOMMUTÁCIÓVAL A MW-os motoroknál jellemzõ megoldás. Árambemenetû tirisztoros váltóirányítót használunk. Ha az áramok sietnek a feszültségekhez képest, a tirisztoroknál természetes kommutáció történik LÉPTETÕ MOTOROK ÜZEMELTETÉSE - BEVEZETÕ A léptetõ motorokat elsõsorban számítógép perifériákban és irodagépekben alkalmazzák. Léteznek ipari felhasználások is. Elõnyük, hogy pozíció érzékelõ nélkül is meg tudják valósítani a pontos pozicionálást. Egy vezérlõimpulzus hatására a léptetõmotor mindig adott szöggel fordul el. Az impulzusok számából tudni lehet, mekkora az eredõ szögelfordulás

17 4.4.1.a LÉPTETÕ MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS JELLEMZÕI - RELUKTÁNS MOTOROK Két megoldás: reluktáns motorok és állandó mágneses motorok. A reluktáns motoroknál sztátoráramok mágneses tere úgy fordítja el forgórészt, hogy minimalizálja a reluktanciát (adott sztátorfoghoz húzza a rotorfogat). Az ábra 90 o -os elfordítást mutat három lépésben b LÉPTETÕ MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS JELLEMZÕI - ÁLLANDÓ MÁGNESES MOTOROK A forgórész állandó mágnes. A forgórész úgy áll be, hogy az állórész mágneses terének iránya megegyezzen a forgórész terének irányával. Megfelelõ sztátortekercsbe áramot vezetve a A bemutatott esetben a sztátor áramokat forgórész a kívánt minden alkalommal 45 o -kal léptetjük. Így a irányba fordítható. motor négy lépésben fél fordulatot tesz

18 VEZÉRLÕÁRAMKÖRÖK A LÉPTETÕMOTOROKHOZ Az állórész tekercseket négyszög alakú áramimpulzusokkal vezéreljük. A vezérlõáramkör minél gyorsabb áram felfutást és lefutást kell, hogy biztosítson a VEZÉRLÕÁRAMKÖRÖK A LÉPTETÕMOTOROKHOZ - RELUKTÁNS MOTOR VEZÉRLÉSE Elég egyirányú áramimpulzusokat biztosítani. V d lényegesen nagyobb, mint a fázisfeszültség középértéke, hogy gyors áramfelfutást kapjunk. Rendszerint állandó frekvenciájú PWM jellel szabályozzuk az áramot

19 4.4.2.b VEZÉRLÕÁRAMKÖRÖK A LÉPTETÕMOTOROKHOZ - ÁLLANDÓ MÁGNESES MOTOR VEZÉRLÉSE A kétirányú áramimpulzusok létrehozásához minden fázistekercshez egy-egy hídkapcsolást alkalmazunk. Használhatunk unipoláris vagy bipoláris modulációt c VEZÉRLÕÁRAMKÖRÖK A LÉPTETÕMOTOROKHOZ - A VEZÉRLÕIMPULZUSOK LÉTREHOZÁSA A mikrovezérlõ rendszerint csak az órajelet, az irányjelet és a fél lépés/teljes lépés jelet állítja elõ. Ezekbõl a jelekbõl megfelelõ logikai automatával (transzlátor) kapjuk az egyes fázisok vezérlõjeleit

20 Vége a 4. fejezetnek (MOTORHAJTÁSOK) 39 20