10/31/2012
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
10/31/2012
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
10/31/2012
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
10/31/2012
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 (Öf) az állórész hozza létre. • Két megoldás: gerjesztés állandó mágnessel vagy gerjesztõtekerccsel. • A forgatónyomaték: Tem k f f ia
8
4
10/31/2012
4.1.1.b AZ EGYENÁRAMÚ MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS MODELLEZÉSE - FESZÜLTSÉG, ÁRAM, TELJESÍTMÉNY • A forgórész mágneses térben mozog, feszültség indukálódik: ea ke f m • A felvett (villamos) teljesítmény: Pe e a i a k e f m i a • A mechanikai teljesítmény: Pm Tem m k f f m i a • Ha elhanyagoljuk a veszteségeket: Pe Pm
ke = kf 9
4.1.1.c AZ EGYENÁRAMÚ MOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS MODELLEZÉSE - MECHANIKAI MODELL d m • Az elektromágneses Tem J B m TWL (t ) forgatónyomaték a mechanikai terheléssel tart egyensúlyt: • A motor forgórészére (armatúra) kapcsolt feszültség az Ohm-os és induktív feszültségeséssel, valamint az elektromotoros erõvel tart egyensúlyt: di vt ea Ra ia La a dt
dt
10
5
10/31/2012
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: m
1 kE
R Vt a Tem kT
• Az egységesített normalizált diagram mutatja a Vt és az Ea függését a fordulatszámtól állandó nyomaték és armatúraáram mellett.
12
6
10/31/2012
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: R 1 m Vt a Tem A mezõk e f kt f gyöngítéses tartományban a gerjesztés csökkentésével növelhetjük a fordulatszámot (csökkenõ 13 nyomaték mellett.)
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
10/31/2012
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
10/31/2012
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
10/31/2012
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
2
p
f
• 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
10/31/2012
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 (Us/f≈const).
11
10/31/2012
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
10/31/2012
4.2.2. FREKVENCIAVÁLTÓS ASZINKRON HAJTÁSOK • A tápfrekvencia (fs) változtatásával változtatjuk a szinkron fordulatszámot. A tényleges fordulatszám ennek a közelében lesz. • Egyidejûleg szükséges a sztátorfeszültség (Vs) 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 25 foglalkoznak (habár megoldható lenne).
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
10/31/2012
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: Tem kt f I a sin 28
14
10/31/2012
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
10/31/2012
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
10/31/2012
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 90o-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 45o-kal léptetjük. Így a irányba fordítható. motor négy lépésben fél fordulatot tesz.34
17
10/31/2012
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. • Vd lényegesen nagyobb, mint a fázisfeszültség középértéke, hogy gyors áramfelfutást kapjunk. • Rendszerint állandó frekvenciájú PWM jellel szabályozzuk az áramot.
36
18
10/31/2012
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
10/31/2012
Vége a 4. fejezetnek (MOTORHAJTÁSOK)
39
20
