Контроллер мотора - Motor controller
Контроллер двигателя представляет собой устройство или группа устройств , которые могут координировать заранее определенным образом производительность с электродвигателем . Контроллер двигателя может включать в себя ручные или автоматические средства для запуска и остановки двигателя, выбора прямого или обратного вращения, выбора и регулирования скорости, регулирования или ограничения крутящего момента и защиты от перегрузок и электрических неисправностей . Контроллеры двигателей могут использовать электромеханическое переключение или могут использовать устройства силовой электроники для регулирования скорости и направления двигателя.
Приложения
Контроллеры двигателей используются как с двигателями постоянного, так и переменного тока. Контроллер включает в себя средства для подключения двигателя к источнику электропитания, а также может включать в себя защиту двигателя от перегрузки и защиту двигателя и проводки от перегрузки по току. Контроллер двигателя также может контролировать цепь возбуждения двигателя или обнаруживать такие условия, как низкое напряжение питания, неправильная полярность или неправильная последовательность фаз или высокая температура двигателя. Некоторые контроллеры двигателей ограничивают пусковой пусковой ток, позволяя двигателю разгоняться и подключать механическую нагрузку медленнее, чем при прямом подключении. Контроллеры двигателя могут быть ручными, требующими от оператора последовательного включения пускового переключателя по этапам для ускорения нагрузки, или могут быть полностью автоматическими с использованием внутренних таймеров или датчиков тока для ускорения двигателя.
Некоторые типы контроллеров двигателей также позволяют регулировать скорость электродвигателя. Для двигателей постоянного тока контроллер может регулировать напряжение, подаваемое на двигатель, или регулировать ток, протекающий в обмотке возбуждения двигателя. Двигатели переменного тока могут иметь слабую реакцию скорости или ее отсутствие на регулировку напряжения на клеммах, поэтому контроллеры переменного тока вместо этого регулируют сопротивление цепи ротора (для двигателей с фазным ротором) или изменяют частоту переменного тока, подаваемого на двигатель, для управления скоростью с помощью силовых электронных устройств или электромеханические преобразователи частоты.
Физическая конструкция и упаковка контроллеров двигателей примерно так же разнообразны, как и сами электродвигатели. Настенный тумблер с подходящими характеристиками может быть всем, что нужно для бытового вентилятора. Электроинструменты и бытовая техника могут иметь курковый выключатель, который только включает и выключает двигатель. Промышленные двигатели могут быть более сложными контроллерами, подключенными к системам автоматизации; на заводе может быть большое количество контроллеров двигателей, сгруппированных в центре управления двигателями . На мобильное оборудование могут устанавливаться контроллеры для электрических кранов или электромобилей. Контроллеры самых больших двигателей используются с насосными двигателями гидроаккумулирующих электростанций и могут иметь мощность в десятки тысяч лошадиных сил (киловатт).
Типы контроллеров мотора
Контроллеры двигателей могут управляться вручную, дистанционно или автоматически. Они могут включать только средства запуска и остановки двигателя или могут включать другие функции.
Контроллер электродвигателя можно классифицировать по типу двигателя, которым он должен управлять, например, с постоянным магнитом , сервоприводом , последовательным, отдельно возбужденным и переменным током .
Контроллер мотора подключен к источнику питания, например аккумуляторной батарее или источнику питания, и схемам управления в виде аналоговых или цифровых входных сигналов.
Стартеры двигателя
Небольшой мотор можно запустить, просто подключив его к источнику питания. Для более крупного двигателя требуется специальный коммутационный блок, называемый пускателем двигателя или контактором двигателя. При подаче питания пускатель прямого включения (DOL) немедленно подключает клеммы двигателя непосредственно к источнику питания. В меньших размерах пускатель двигателя представляет собой выключатель с ручным управлением; В более крупных двигателях или в двигателях, требующих дистанционного или автоматического управления, используются магнитные контакторы. Очень большие двигатели, работающие от источников питания среднего напряжения (тысячи вольт), могут использовать силовые выключатели в качестве переключающих элементов.
При прямом включении (DOL) или через пускатель сети полное линейное напряжение подается на клеммы двигателя. Это простейший тип пускателя двигателя. Пускатель двигателя DOL часто содержит защитные устройства (см. Ниже) и, в некоторых случаях, средства контроля состояния. Меньшие размеры пускателей прямого включения управляются вручную; более крупные размеры используют электромеханический контактор для переключения цепи двигателя. Также существуют твердотельные пускатели прямого включения.
Можно использовать пускатель прямого включения, если высокий пусковой ток двигателя не вызывает чрезмерного падения напряжения в цепи питания. По этой причине максимально допустимый размер двигателя для пускателя с прямым пуском от сети может быть ограничен энергоснабжающей организацией. Например, коммунальное предприятие может потребовать от сельских потребителей использовать пускатели пониженного напряжения для двигателей мощностью более 10 кВт.
Пуск прямого тока иногда используется для запуска небольших водяных насосов , компрессоров , вентиляторов и конвейерных лент . В случае асинхронного двигателя, такого как трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором , двигатель будет потреблять высокий пусковой ток, пока не наберет полную скорость. Этот пусковой ток обычно в 6-7 раз превышает ток полной нагрузки. Для уменьшения пускового тока более крупные двигатели будут иметь пускатели пониженного напряжения или приводы с регулируемой скоростью , чтобы минимизировать провалы напряжения в источнике питания.
Реверсивный пускатель может подключать двигатель для вращения в любом направлении. Такой пускатель содержит две цепи прямого подключения - одну для работы по часовой стрелке, а другую для работы против часовой стрелки, с механическими и электрическими блокировками для предотвращения одновременного замыкания. Для трехфазных двигателей это достигается путем обмена местами проводов, соединяющих любые две фазы. Однофазные двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока часто можно поменять местами, поменяв местами два провода, но это не всегда так.
Пускатели двигателя, отличные от DOL, подключают двигатель через сопротивление, чтобы снизить напряжение, получаемое катушками двигателя при запуске. Сопротивление для этого должно соответствовать двигателю - и быстрым источником хорошего сопротивления при использовании является другая катушка в двигателе, то есть последовательно / параллельно. Последовательный запуск обеспечивает более плавный пуск, затем переключается на параллельный режим для работы на полной мощности. Когда это делается с трехфазными двигателями, его обычно называют пускателем со звезды на треугольник (США: Y-треугольник). Старые пускатели со звезды на треугольник управлялись вручную и часто включали амперметр, чтобы человек, управляющий стартером, мог видеть, когда двигатель набирал обороты, по тому факту, что ток, который он потреблял, перестал уменьшаться. Более современные пускатели имеют встроенные таймеры для переключения со звезды на треугольник и настраиваются установщиком электрооборудования машины. Оператор станка просто нажимает зеленую кнопку один раз, и остальная часть процедуры запуска автоматизирована.
Типичный пускатель включает в себя защиту от перегрузки, как электрической, так и механической, и защиту от «случайного» пуска - если, например, питание было отключено и только что снова включилось. Акроним этого типа защиты - TONVR - Thermal Overload, No Volt Release. Он настаивает на том, чтобы зеленая кнопка была нажата, чтобы запустить мотор. Зеленая кнопка включает соленоид, который замыкает контактор (т. Е. Переключатель), чтобы в первую очередь приводить в действие двигатель. Он также приводит в действие соленоид, чтобы питание оставалось включенным, когда зеленая кнопка отпускается. При сбое питания контактор размыкается, и двигатель выключается. Единственный способ запустить двигатель - это нажать зеленую кнопку. Контактор может быть быстро отключен, если пускатель пропускает очень высокий ток из-за электрического повреждения после него либо в проводке, ведущей к двигателю, либо внутри двигателя. Защита от тепловой перегрузки состоит из нагревательного элемента на каждом проводе питания, который нагревает биметаллическую ленту. Чем горячее полоса, тем сильнее она отклоняется до такой степени, что толкает расцепляющую планку, которая отключает питание соленоида контактора, выключая все. Температурные перегрузки бывают разных диапазонов, и этот диапазон следует выбирать в соответствии с двигателем. В пределах диапазона они регулируются, что позволяет установщику правильно настроить его для данного двигателя.
Какой тип для конкретных приложений? DOL обеспечивает быстрый запуск, поэтому обычно используется с двигателями меньшего размера. Он также используется в машинах с неравномерной нагрузкой, таких как компрессоры поршневого типа, где требуется полная мощность двигателя, чтобы поршень прошел стадию сжатия - фактическую рабочую стадию. Звезда-треугольник обычно используется с более крупными двигателями или в тех случаях, когда двигатель не находится под нагрузкой при запуске, с очень небольшой нагрузкой или постоянной нагрузкой. Он особенно подходит для двигателей, приводящих в движение механизмы с тяжелыми маховиками, чтобы разогнать маховики до того, как машина будет задействована и приводится в движение маховиком.
Пускатели пониженного напряжения
Устройства пониженного напряжения или устройства плавного пуска подключают двигатель к источнику питания через устройство понижения напряжения и постепенно или ступенчато повышают подаваемое напряжение. Для запуска двигателя при пониженном напряжении могут использоваться два или более контактора. При использовании автотрансформатора или последовательной индуктивности на выводах двигателя присутствует более низкое напряжение, что снижает пусковой момент и пусковой ток. Как только двигатель наберет определенную долю от своей скорости при полной нагрузке, стартер переключается на полное напряжение на клеммах двигателя. Поскольку автотрансформатор или последовательный реактор выдерживают сильный пусковой ток двигателя только в течение нескольких секунд, устройства могут быть намного меньше по сравнению с оборудованием с непрерывным номинальным током. Переход между пониженным и полным напряжением может основываться на истекшем времени или запускаться, когда датчик тока показывает, что ток двигателя начал уменьшаться. Автотрансформатор стартер был запатентован в 1908 году.
Мощность более крупных 3-фазных асинхронных двигателей может уменьшаться внутри двигателя! Двигатель запускается "DOL" с полным напряжением, подаваемым на обмотки возбуждения внешней части двигателя ("статора"). Во внутренней части («роторе») индуцируется ток, который снова вступает в реакцию с магнитным полем, создаваемым статором. Разбивая ротор на части и электрически соединяя эти части с внешними сопротивлениями через контактные кольца и щетки, а также управляющие контакторы, можно изменять магнитную мощность ротора, то есть уменьшать для запуска или работы с малой мощностью. Хотя это гораздо более сложный процесс, это означает, что коммутируемые токи (электрические нагрузки) значительно ниже, чем при уменьшении мощности, подаваемой на основное питание двигателя.
Третий способ добиться очень плавного постепенного пуска - окунуть резистивные стержни в проводящую жидкость (например, ртуть), которая имеет слой изоляционного масла сверху. По мере того, как стержни опускаются, сопротивление постепенно уменьшается.
Приводы с регулируемой скоростью
С регулируемой скоростью привода (ASD) или переменной скорости привода (VSD) является взаимосвязанной сочетание оборудования , которое обеспечивает средство вождения и регулировки рабочей скорости механической нагрузки. Электрический регулируемый привод состоит из электродвигателя и регулятора скорости или преобразователя мощности, а также вспомогательных устройств и оборудования. Обычно термин «привод» применяется только к контроллеру. Большинство современных ASD и VSD также могут осуществлять плавный пуск двигателя.
Интеллектуальные контроллеры
Интеллектуальный контроллер двигателя (ИКА) использует микропроцессор для управления электронных устройств питания , используемых для управления двигателем. IMC контролируют нагрузку на двигатель и, соответственно, согласовывают крутящий момент двигателя с нагрузкой двигателя. Это достигается за счет снижения напряжения на клеммах переменного тока и одновременного снижения тока и квар . Это может обеспечить повышение энергоэффективности двигателей, которые большую часть времени работают при небольшой нагрузке, что приводит к меньшему количеству тепла, шума и вибраций, создаваемых двигателем.
Реле перегрузки
Стартер будет содержать защитные устройства для двигателя. Как минимум, это должно включать тепловое реле перегрузки. Тепловая перегрузка предназначена для размыкания цепи пуска и, таким образом, отключения питания двигателя в случае, если двигатель потребляет слишком большой ток от источника питания в течение длительного времени. Реле перегрузки имеет нормально замкнутый контакт, который размыкается из-за тепла, выделяемого чрезмерным током, протекающим по цепи. Тепловые перегрузки имеют небольшое нагревательное устройство, температура которого увеличивается по мере увеличения рабочего тока двигателя.
Существует два типа теплового реле перегрузки. В одном из типов биметаллическая полоса, расположенная рядом с нагревателем, отклоняется при повышении температуры нагревателя до тех пор, пока это не приведет к механическому отключению устройства и размыканию цепи, отключая мощность двигателя в случае его перегрузки. Тепловая перегрузка компенсирует кратковременный высокий пусковой ток двигателя, надежно защищая его от перегрузки по рабочему току. Катушка нагревателя и действие биметаллической полосы создают временную задержку, которая дает двигателю время для запуска и перехода в нормальный рабочий ток без отключения тепловой перегрузки. Тепловые перегрузки могут быть сброшены вручную или автоматически, в зависимости от их применения, и имеют регулятор, который позволяет точно настроить их на рабочий ток двигателя.
Второй тип реле тепловой перегрузки использует эвтектический сплав , например припой , для удержания подпружиненного контакта. Когда через нагревательный элемент слишком долго проходит слишком большой ток, сплав плавится, и пружина размыкает контакт, размыкая цепь управления и останавливая двигатель. Поскольку элементы из эвтектического сплава не регулируются, они устойчивы к случайному вмешательству, но требуют замены элемента катушки нагревателя в соответствии с номинальным током двигателя.
Электронные цифровые реле перегрузки, содержащие микропроцессор, также могут использоваться, особенно для дорогостоящих двигателей. Эти устройства моделируют нагрев обмоток двигателя, контролируя ток двигателя. Они также могут включать функции измерения и связи.
Защита от потери напряжения
Пускатели, использующие магнитные контакторы, обычно получают питание для катушки контактора от того же источника, что и двигатель. Вспомогательный контакт контактора используется для поддержания катушки контактора под напряжением после того, как была отпущена команда пуска двигателя. Если происходит кратковременная потеря напряжения питания, контактор размыкается и не замыкается снова, пока не будет дана новая команда пуска. это предотвращает перезапуск двигателя после сбоя питания. Это соединение также обеспечивает небольшую степень защиты от низкого напряжения питания и потери фазы. Однако, поскольку катушки контактора будут удерживать цепь в замкнутом состоянии при подаче на катушку всего лишь 80% нормального напряжения, это не является основным средством защиты двигателей от работы при низком напряжении.
Сервоконтроллеры
Сервоконтроллеры - это широкая категория управления двигателями. Общие особенности:
- точное регулирование положения с обратной связью
- высокие темпы ускорения
- точное регулирование скорости. Серводвигатели могут быть изготовлены из нескольких типов двигателей, наиболее распространенными из которых являются:
- щеточный двигатель постоянного тока
- бесщеточные двигатели постоянного тока
- Серводвигатели переменного тока
Сервоконтроллеры используют обратную связь по положению, чтобы замкнуть контур управления. Это обычно реализуется с помощью датчиков положения , резольверов и датчиков Холла для прямого измерения положения ротора .
Другие методы обратной связи по положению измеряют обратную ЭДС в неприведенных катушках, чтобы сделать вывод о положении ротора, или обнаруживают переходный процесс обратного напряжения (всплеск), который генерируется всякий раз, когда питание катушки мгновенно отключается. Поэтому их часто называют "бессенсорными" методами управления.
Сервопривода можно регулировать с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Как долго импульс остается высоким (обычно от 1 до 2 миллисекунд), определяет, где двигатель будет пытаться позиционировать себя. Другой метод управления - импульсный и направленный.
Контроллеры шаговых двигателей
Шаговый двигатель - это синхронный бесщеточный многофазный двигатель с большим числом полюсов. Управление обычно, но не исключительно, осуществляется в разомкнутом контуре, т. Е. Предполагается, что положение ротора следует за управляемым вращающимся полем. Из-за этого точное позиционирование с помощью шаговых двигателей проще и дешевле, чем управление с обратной связью.
Современные шаговые контроллеры приводят в действие двигатель с гораздо более высоким напряжением, чем номинальное напряжение двигателя, указанное на паспортной табличке, и ограничивают ток путем прерывания. Обычная установка состоит в том, чтобы иметь контроллер позиционирования, известный как индексатор , отправляющий импульсы шага и направления в отдельную схему возбуждения более высокого напряжения, которая отвечает за коммутацию и ограничение тока.
Смотрите также
использованная литература
- "Далласская группа персональной робототехники" . Краткая теория работы H-моста . Архивировано из оригинала на 12 января 2013 года . Проверено 7 июля 2005 года .
- Ссылки на производителей, ассоциации и другие ресурсы.