Tantárgy: TELJESÍTMÉNYELEKTRONIKA Tanár: Dr. Burány Nándor Tanársegéd: Mr. Divéki Szabolcs 5. félév Óraszám: 2+2 1 4. 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
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
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
4.1. 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. 7 4.1.1.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
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 9 4.1.1.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
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. 11 4.1.1.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
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 13 4.1.2. 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
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. 15 4.1.2.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
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. 17 4.2. 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
4.2.1. 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. 19 4.2.1.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. 20 10
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. 21 4.2.1.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
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). 23 4.2.1.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. 24 12
4.2.2. 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). 25 4.2.3. 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. 26 13
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. 27 4.3.1. 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
4.3.2. 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. 29 4.3.3. 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. 30 15
4.3.4. 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. 31 4.4. 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. 32 16
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. 33 4.4.1.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. 34 17
4.4.2. VEZÉRLÕÁRAMKÖRÖK A LÉPTETÕMOTOROKHOZ Az állórész tekercseket négyszög alakú áramimpulzusokkal vezéreljük. A vezérlõáramkör minél gyorsabb áram felfutást és lefutást kell, hogy biztosítson. 35 4.4.2.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. 36 18
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. 37 4.4.2.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. 38 19
Vége a 4. fejezetnek (MOTORHAJTÁSOK) 39 20