Электродвигатели со специальными характеристиками

Как отмечалось, характер движения исполнительных органов рабочих машин отличается большим разнообразием. Для рабо­чих органов металлургических машин и агрегатов характер­ными являются: вращательное движение с высокой скоростью (насосы, вентиляторы); вращательное движение с малой ско­ростью (слив жидкого металла из конвертера, миксера и т. п.); поступательное движение (толкатели, конвейеры, подъем фурмы, прессы, молоты). До последнего времени основным типом элект­родвигателя оставался двигатель вращательного движения. Для обеспечения требуемого характера движения исполнительного органа в этих случаях использовались различного рода механи­ческие передачи, преобразующие вращательное движение в дви­жение требуемого характера. Часто такие механические пере­дачи оказываются громоздкими, дорогостоящими, ненадежными в эксплуатации.

Прогрессивным явлением в развитии электропривода явилось создание электродвигателей поступательного, возвратно-посту­пательного, дискретного (шагового) движения и вращательного, с малой скоростью. Применение таких двигателей позволяет уп­ростить или вовсе исключить механическую передачу, сущест­венно повысить технико-экономические показатели электропри­вода.

Электропривод с линейными двигателями. Движущаяся часть линейного двигателя перемещается линейно,, Линейные двига­тели могут быть асинхронными, синхронными или постоянного тока, повторяя по принципу действия соответствующие двига­тели вращательного движения. Наибольшее распространение получили линейные асинхронные двигатели (ЛАД). Движу­щуюся часть ЛАД называют вторичным элементом. Если об­мотки статора ЛАД подключить к сети переменного тока, об­разуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью где f1 — частота питающего напряжения; τ — длина полюсного деления.

Процесс образования бегущего электромагнитного поля в ЛАД аналогичен тому, что имеет место в асинхронном двига­теле.

Перемещающееся магнитное поле пересекает проводники вторичного элемента и индуктирует в них э. д. с, в результате чего в проводниках появляются вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с магнитным полем статора приведет к появле­нию силы, под действием которой вторичный элемент начнет

двигаться с некоторым отставанием (скольжением), наподобие асинхронного двигателя. Часто в качестве вторичного элемента используют лист, полосу, рельс, жидкий металл и т. п.

Линейный двигатель может работать в обращенном режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвига­ется статор. Линейные двигатели используют в транспортных устройствах для перекачки жидкого металла. Мощность их до­стигает сотен, а в ряде случаев — тысяч киловатт; скорость 100—150 км/ч, а в рельсовом транспорте 400—500 км/ч.

Для изменения направления движения ЛАД достаточно из­менить чередование фазных токов статорной обмотки, т. е. из­менить порядок подключения фаз обмотки к трехфазному ис­точнику питания. Регулирование скорости ЛАД осуществляется изменением частоты, питающего напряжения, переключением числа пар полюсов и др.

Использование в приводах механизмов с поступательным движением линейных электродвигателей позволяет упростить конструкцию механизма, исключить редукторы, а за счет повы­шения скоростей и ускорений — повысить производительность.

Шаговые синхронные двигатели. Шаговые двигатели (ШД) составляют основу дискретного привода; они используются в машинах, где исполнительный орган должен совершать строго дозированное перемещение с фиксацией своего положения в конце движения. Движение ротора ШД состоит из последова­тельных элементарных поворотов или шагов.

Шаговые двигатели представляют собой разновидность син­хронных двигателей. Магнитное поле ШД перемещается (вра­щается) дискретно, шагами, что достигается путем импульсного возбуждения обмоток.

Угловое перемещение ШД определяется выражением

где р — число пар полюсов; п — число сочетаний схем включе­ния тока статора.

При наличии на полюсах зубцов

где z2 — число зубцов ротора.

Средний скорость ШД определяется выражением

где а — шаг двигателя, рад; /_к — частота коммутации обмоток, 1/с.

Обычно р≤4. Выполнение ШД с большим числом пар по­люсов позволяет получить малый шаг, составляющий единицы градусов. Специальные схемы обеспечивают такое дробление шага, при котором движение будет вращательным непрерывным с остановкой двигателя в любом требуемом положении.

Синхронизирующий вращающий момент, удерживающий ро­тор в состоянии равновесия М = М_мах sinα, где = М_мах — макси­мальный момент; а — угол между осями магнитных полей ста­тора и ротора.

Поворот ротора шагового двигателя на фиксированный угол происходит после подачи на статорные обмотки управляющих импульсов напряжения прямоугольной формs, которые форми­руются электронным коммутатором. Таким образом, управление ШД осуществляется силовым электронным коммутатором,_чча­стота выходного напряжения которого (частота коммутации), задаваемая частотой входного управляющего сигнала, изменя­ется в широких пределах.

Шаговое перемещение ротора осуществляется с помощью последовательных управляющих импульсов. Каждому импульсу соответствует одно перемещение обмоток ШД (один такт ком­мутации) и один шаг ротора. Суммарный угол поворота ШД пропорционален числу импульсов, а его скорость — Частоте им­пульсов.

Пуск ШД осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты входного сигнала от нуля до рабочей; тор­можение— снижением ее до нуля, а реверс — изменением по­следовательности коммутации обмоток ШД.

Современные ШД различны по конструктивному исполне­нию. В зависимости от числа фаз и устройства ^магнитной си­стемы ШД бывают однофазными, двухфазными, многофазными, с активным или пассивным ротором. Активный ротор выполня­ется из постоянных магнитов (магнитоэлектрический ШД) или снабжается обмоткой возбуждения. Пассивный ротор выполня­ется из ферромагнитного материала и не имеет обмотки возбуж­дения.

Наряду с ШД вращательного движения получают распро­странение линейные ШД поступательного движения и двухко-ординатные ШД, обеспечивающие одновременное или раздель­ное вращательно-поступательное движение или движение по двум координатам. Шаговые двигатели находят применение для приводов, требующих повышенной точности движения — переме­щения электродов печей, выращивания монокристаллов, переме­щения валков прокатных станов и т. п.

Электропривод с вентильными двигателями (ВД). По уст­ройству применяемые ВД напоминают синхронную машину. На статоре располагается трехфазная обмотка переменного тока, питаемая от вентильного коммутатора. Ротор, обеспечивающий возбуждение двигателя, выполняется в виде постоянного маг­нита с обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоян­ного тока через контактные кольца, либо в виде безобмоточного зубчатого цилиндра, через зубцы которого замыкается магнитный поток.

Отличительной особенностью вентильного двигателя является на­личие вентильного коммутатора, который выполняет функцию кол­лектора двигателя постоянного тока. Вентильный коммутатор пред­ставляет собой преобразователь ча­стоты (ПЧ). ВД различаются по типу ПЧ, конструктивному испол­нению двигателя, способу контроля углового положения ротора, уст­ройству управления и т. п.

Рис. 1. Схема вентильного двига­теля: VII — управляемый выпрями­тель; 1)2.2 — инвертор; 1ЛЗ — тири-сторный возбудитель; Ь — сглажи­вающий реактор; АУВ, АУИ — ап­паратура управления выпрямите­лем и инвертором

•Характеристики ВД аналогичны соответствующим характеристикам двигателя постоянного тока. ВД имеет широкие возможности в от­ношении регулирования скорости, путем изменения подводимого к статору напряжения, тока возбуж­дения, угла управления вентилями инвертора.

На рис. 1 представлена прин­ципиальная схема ВД. Регулирование скорости в данной схеме осуществляется изменением напряжения на выходе VII или тока возбуждения 1123.

Использование приводов переменного тока по схеме ВД для металлургической промышленности позволит снять ограничения по мощности, характерные для приводов постоянного тока.