Управление электродвигателями

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии во всем мире. Создавайте эффективные системы управления двигателями с компонентами от RS Components.

Исследования Мирового Энергетического Совета в 2013 году, говорят о том, что около 45% глобального потребления электроэнергии приходится на электродвигатели. Они являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Электродвигатели можно встретить в бытовой технике, инструментах, электромобилях, поездах, на нефтяных платформах и дамбах.

Со времен промышленной революции мы постоянно сокращаем трудозатраты и время, внедряя электродвигатели во всевозможное оборудование. Масса устройств с электроприводом сделала наши домашние дела проще и удобнее, а наши рабочие места стали более эффективными и рентабельными. Но какой ценой?

Энергопотребление и окружающая среда

В современном мире, где сокращаются запасы ископаемых видов топлива, где внимательно следят за экологией и окружающей средой, производителям любых изделий с моторами приходится нелегко. Пока не существует достойной альтернативы по получению электроэнергии из возобновляемых источников, проблема усугубляется стремительным увеличением спроса в связи с экономическим ростом в Африке, Азии и Южной Америке и быстрорастущей численностью мирового населения. Во всем мире правительства все более активно внедряют законодательные меры, направленные на сокращение потребления энергии. В ответ на это промышленные заказчики стараются инвестировать в более эффективное оборудование. Не желают отставать и дальновидные розничные потребители, которые ищут изделия с низким энергопотреблением.

Компактные двигатели

Помимо сокращения энергопотребления, инженеры также сталкиваются с необходимостью сокращения размеров моторов, приводов и их контроллеров. Так, например, для потребителя большой объем барабана в стиральной машинке является дополнительным критерием выбора, но тем не менее машинка по-прежнему должна соответствовать стандартным размерам. Сокращение пространства для электронных компонентов усложняет терморегулирование и охлаждение и порождает некоторые трудности для инженеров-разработчиков. Добавление механизмов охлаждения только увеличивает потребление энергии, поэтому двигатели должны быть спроектированы таким образом, чтобы выделять меньше тепла.

Архитектура систем управления двигателями

Системы управления двигателем

На приведенной выше схеме показаны стандартные блоки системы управления двигателем в зависимости от типа двигателя, области его применения, уровня управления и мониторинга.

Контроллер – это устройство управления, микроконтроллер или ЦСП, который воспринимает такие команды, как направление, скорость и крутящий момент. Он необходим для генерации одного или нескольких сигналов для приведения в действие мотора. Управление обычно осуществляется посредством ШИМ. Контроллер также может быть снабжен обратной связью в виде измерения тока и положения, чтобы обеспечить более точное управление, защиту двигателя и обнаружение неисправности.

Привод - в большинстве случаев привод необходим для усиления сигналов, образуемых контроллером для обеспечения достаточной мощности двигателя.

Датчики - шунты и датчики с эффектом Холла могут использоваться для измерения фактического тока, тем самым обеспечивая обратную связь. Получение данных о положении двигателя осуществляется через индуктивный датчик, датчик Холла или энкодер. Затем эта обратная связь может использоваться для реализации более сложного управления «замкнутым контуром» и получения актуальной информации об условиях работы электродвигателя, что обеспечивает улучшенный контроль над выходными параметрами электродвигателя.

Фильтрация - используется в системах управления двигателями для подавления источников электромагнитных помех. Обычно такими элементами фильтрации выступают ферритовые сердечники и катушки индуктивности.

Изоляция - гальваническая развязка часто используется для изоляции контроллера двигателя от остальной системы, которая может быть чувствительна к импульсным помехам, а также иметь различный потенциал земли.

Двигатель с замкнутым и разомкнутым контуром

Разомкнутые системы управления характеризуются тем, что в них задается необходимое значение регулируемой величины, но в процессе работы значение регулируемой величины не контролируется, и система не реагирует на отклонение регулируемой величины от заданного значения. Другими словами, разомкнутая система управления не имеет обратной связи.

В замкнутых системах производится непрерывный контроль выходной величины, и система управления при помощи цепи обратной связи реагирует на отклонение выходного сигнала от заданной величины. Хорошим примером этого является позиционный двигатель на телескопе, который будет постоянно перестраиваться, чтобы отслеживать требуемые координаты.

Бесщеточные двигатели постоянного тока (БДПТ)

Автор: Эльвир Кахриманович, старший системный инженер-разработчик компании Infineon.

От аккумуляторных электроинструментов до средств промышленной автоматизации, от электрических велосипедов до дистанционно управляемых «беспилотников», в настоящее время бесщеточные двигатели постоянного тока (БДПТ) пользуются все большей популярностью. Для решений БДПТ требуется более сложное устройство привода, такие моторы обладают рядом эксплуатационных преимуществ, включая высокую эффективность и удельную мощность. Это позволяет использовать меньшие по размеру, более легкие и менее дорогие двигатели. Уменьшается механический износ, что приводит к повышению надежности, увеличению срока службы, а также исключает необходимость постоянного техобслуживания. Двигатели БДПТ работают с более низким звуковым и электрическим шумом, чем их щеточные аналоги.

Обычный БДПТ имеет трехфазный статор, который осуществляет вращение ротора через систему электронного управления. Такая система включает в себя трехфазный инвертор напряжения. Она постоянно переключает токи в обмотках статора синхронно с положением ротора, которое может быть установлено с помощью датчиков или посредством расчетов, основанных на обратной электродвижущей силе (ЭДС) в конкретный момент. Поток, генерируемый в статоре, взаимодействует с потоком ротора, который определяет крутящий момент и скорость двигателя.

При разработке средств БДПТ инженеры выбирают между использованием дискретных компонентов и интегрированных решений, которые объединяют ряд важных функций привода и управления в одном устройстве.

Более подробную информацию можно найти в материалах компании Infineon: «Потери мощности и оптимизированный выбор MOSFET в конструкциях инверторов двигателей БДПТ» на сайте DesignSpark.

Робот от Infineon Technologies побил рекорд по сборке кубика Рубирка

Компоненты для бесщеточных двигателей

Компоненты для систем управления двигателями

Постройте компактный, надежный и эффективный моторный привод с использованием встроенных силовых модулей от компании ON Semiconductor.

Типы двигателей и как подобрать нужный двигатель

Существует две основные категории двигателей: переменного тока (AC) и постоянного тока (DC).

Двигатели постоянного тока были изобретены первыми и по-прежнему являются самым простым видом двигателей. DC двигатели приводятся в движение путем пропуска тока через проводник внутри магнитного поля. Основными типами электродвигателей постоянного тока являются щеточные двигатели постоянного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока. Энергия щеточных двигателей генерируется подключением противоположных полюсов источника питания для подачи отрицательных и положительных зарядов в коммутатор при его физическом контакте с щетками. Такие электродвигатели отличаются своей простотой и низкой стоимостью, но требуют частого техобслуживания, так как щетки нуждаются в регулярной чистке и замене. Для того, чтобы работа приборов была более надежной, эффективной и менее шумной, используют бесщеточные двигатели постоянного тока. Они легче по сравнению с щеточными двигателями при одной и той же выходной мощности, практически не требуют техобслуживания, но значительно дороже.

Двигатели переменного тока можно разделить на два основных типа: асинхронные и синхронные. Выделяют ещё один, менее распространенный тип - линейные AC двигатели.

Можно сказать, что AC двигатели состоят из двух основных частей: внешняя часть (статор) и внутренняя (ротор). Статор – это стационарная часть двигателя с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля. А ротор соединен с валом, который создает другое вращающееся магнитное поле.

Линейные двигатели схожи с вращающимися двигателями, но в них движущиеся и неподвижные части расположены по прямой линии, и в итоге они создают линейное движение.

Индукционные (асинхронные) электродвигатели называются таковыми, поскольку крутящий момент создается с помощью электромагнитной индукции. Они известны также как двигатели с короткозамкнутым ротором или фазным ротором.

Синхронные двигатели отличаются от асинхронных тем, что они работают с точной синхронизацией с частотой сети. Напротив, асинхронные двигатели используют индуктивный ток для создания магнитного поля и требуют некоторого «скольжения» (немного более медленного вращения), чтобы вызвать ток.

На что следует обратить внимание при выборе электродвигателя?
Тип электродвигателя: Двигатель постоянного тока (DC) или переменного тока (AC).
Скорость: На какой скорости должен работать ваш двигатель? От этого напрямую зависит регулирование числа оборотов. Вам требуется выбор из нескольких режимов времени набора оборотов двигателя?
Крутящий момент: Это показатель, характеризующий силу вращения, обычно измеряется в Н·м (Ньютон-метр).
Встроенный редуктор: Встроенные редукторы снижают скорость и увеличивают крутящий момент.
Требования по нагрузке: Какая нагрузка вам требуется – предельная нагрузка, нормальная нагрузка или легкий режим нагрузки?
Номинальная мощность: Как правила, указывается в Ваттах (Вт) или лошадиных силах (л. с.). Проверьте характеристики при нормальной работе и перегрузках.
Питание: Проверьте требования к электропитанию – к напряжению, току.
Конфигурация: Размер и габариты двигателя будут определяться приложением, для которого он предназначен. Размер вала, тип монтажа и вес также должны быть учтены.

Ведущие бренды

Статьи на сайте DesignSpark