Ugrás a tartalomhoz

Elektrotechnika II.

dr. Hodossy László (2012)

EDUTUS Főiskola

7. fejezet - Különleges gépek

7. fejezet - Különleges gépek

Tanulási célok

A lecke áttanulmányozása után Ön képes lesz:

  • Saját szavaival elmagyarázni a szervo-, a léptető-, a lineáris- és a kefe nélküli motorok szerkezetét és működését.

  • Ismertetni a szervo- és léptetőmotorok közötti különbségeket, illetve azonosságokat.

  • Felrajzolni a léptetőmotorok statikus jelleggörbéjét.

  • Ismertetni a rövid primerű és rövid szekunderű lineáris aszinkronmotorok közötti különbségeket, illetve azonosságokat.

  • Felsorolni a kefe nélküli motorok forgórész helyzet-meghatározó módszereit és ismertetni a Hall-elem működését.

Az alábbiakban a teljesség igénye nélkül rövid áttekintést adunk néhány olyan géptípusról, amelyek felépítésükben, működési módjukban, illetve alkalmazási módjukban különböznek az eddig megismert típusoktól. Ezen géptípusok alkalmazása az elektronika, a teljesítményelektronika és a számítástechnika robbanásszerű fejlődésével rendkívül felértékelődött.

Szervomotorok

A szervomotorokat igen széles körben használják. Elsősorban a különböző vezérlő és szabályozó rendszerekben alkalmazzák pozícionálási célból, de ismeretesek egyéb alkalmazások is.

A működtető energia szerint léteznek

  • villamos

  • pneumatikus és

  • hidraulikus szervomotorok.

E helyen természetesen csak a villamos szervomotorokkal foglalkozunk.

Szabályozástechnikai szempontból a villamos szervomotorok bemenőjele villamos feszültség vagy áram, kimenőjelük szögelfordulás vagy mechanikai elmozdulás. Jellemzőjük a rendkívül gyors indulás és forgásirányváltás valamint egy adott pozícióba történő pontos beállás.

A szervomotorokkal szemben az alábbi követelményeket támasztjuk:

  • A fordulatszám változtatása tág határok között folyamatosan biztosítható legyen (akár 1:100, 1:10000 arány is megvalósítható legyen). Ez természetesen különleges táplálást és motor kialakítást igényel.

  • A forgásirányváltás gyorsan és egyszerűen legyen megvalósítható. Ez csak különleges forgórész kialakítással biztosítható (kis átmérőjű de hosszú forgórész vagy nagy átmérőjű és rövid forgórész).

  • A motor gyors működésű legyen, más szavakkal nagy legyen az indítónyomaték.

  • A fordulatszám-nyomaték jelleggörbe stabil működést biztosítson széles határok között.

  • A fenti követelményeket végigtekintve megállapítható, hogy az eddig megismert villamos gépek közül a

  • külső gerjesztésű egyenáramú motor és a

  • kétfázisú aszinkronmotor

biztosíthatja az elvárások szerinti működést.

Egyenáramú szervomotorok

Emlékeztetőül a motor egyszerűsített villamos kapcsolási rajza és a működést leíró egyenletek:

7.1.1.1. ábra

A fenti összefüggésekben a „k” a motorállandó. A fordulatszámot legkönnyebben az armatúra kapocsfeszültségével lehet változtatni:

7.1.1.2. ábra

Az ún. statikus jelleggörbék az alábbi ábrán láthatók:

7.1.1.3. ábra

Egy adott fordulatszámról egy másik fordulatszámra történő „átállás” időfüggvénye lengés nélkül:

ahol

: tehetetlenségi nyomaték)

a villamos időállandó.

Képzeletben álló helyzetből indítsunk el egy szervomotort és vizsgáljuk meg, hogy az idő függvényében hogyan éri el a maximális fordulatszámot (szögsebességet). Az alábbi ábra 3 különböző esetet mutat:

7.1.1.4. ábra

Az 1. jelleggörbe tekinthető a legjobb esetnek, ilyenkor ugyanis nincs lengés és viszonylag gyors a beállás az új fordulatszámra. A 2. jelleggörbe nem kívánatos lengéseket mutat, a forgórész túlzottan fürge. A 3. jelleggörbe esetén viszont nagyon lassú a folyamat, a forgórész túlzottan lomha.

Az 1. jelleggörbe esetén

A 2. jelleggörbe esetén

A 3. jelleggörbe esetén

A fentiek alapján látható, hogy a TM szerepe meghatározó. Éppen ezért a gyakorlati megvalósításoknál kétfajta kialakítás terjedt el:

  • kis átmérő – hosszú forgórész („hurkaszerű” kialakítás)

  • nagy átmérő – rövid forgórész („tárcsaszerű” kialakítás)

Ez utóbbira példa a tárcsamotor vagy diszkmotor, amelynek jellemzője az állandó mágnes az állórészen és a lemezszerű forgórész, amelyet gyakran NYÁK lemezből (nyomtatott áramköri lemez) készítenek. A működés jellemzője, hogy az állandó mágnes miatt nincs gerjesztőköri veszteség, jó a motor hatásfoka és a forgórész rövid ideig nagy áramot is elvisel, ugyanakkor a túlzottan nagy áram lemágnesezheti azaz tönkreteheti az állórész mágnesét.

Az alábbi ábra mutatja azokat a tényezőket, amelyek korlátozást jelentenek az egyenáramú szervomotorok használatánál:

7.1.1.5. ábra

Korlátozó tényezők:

  • hőmérsékleti korlát, általában 150ºC-ot nem szabad túllépni,

  • ; fordulatszám korlát a kommutáló szegmensek között megengedhető maximális feszültség miatt,

  • ; terhelőnyomatéki korlát a lemágnesező hatás miatt,

  • , kommutációs határ, a csúszóérintkezőkön átvihető legnagyobb teljesítménykorlát miatt.

Váltakozó áramú szervomotorok

A rövidre zárt forgórészű, kétfázisú aszinkronmotorokat lehet felhasználni váltakozó áramú szervomotorként, amennyiben a mechanikai kialakítás biztosítja az elvárások szerinti működést. A motor állórésze kétfázisú tekercselést tartalmaz, a két tekercs egymáshoz képest 90º-kal van eltolva. A forgórész kalickás és ún. serleges azaz pohárszerű kialakítású.

7.1.2.1. ábra

7.1.2.2. ábra

A fenti ábra szerint az Uv vezérlőfeszültség nagyságának és fázisának változtatásával biztosítható a fordulatszám-változtatás és a forgásirányváltás.

A váltakozó áramú szervomotorok előnyös tulajdonsága az egyenáramúakéhoz képest, hogy lényegesen egyszerűbb a forgórész kialakítása, hiszen nincs tekercselés, elmarad a kommutátor és kefe, így kisebb a súrlódás is. A serleges kialakítás miatt kicsi a forgórész tehetetlenségi nyomatéka. Egyenáramú erősítő helyett váltakozó áramú erősítő szükséges a működtetéshez.

Összegzésképpen megállapítható, hogy a szervomotorok számos előnyös tulajdonsága mellett számolni kell azzal, hogy a működés során nem ismeretes a forgórész helyzete, amire a pozícionálási feladatokban elengedhetetlenül szükség van. Éppen ezért a szervomotorokat nagyon gyakran olyan kiegészítő egységgel látják el, amely képes információt adni a forgórész helyzetéről. Ilyen például a rezolver vagy a szöghelyzetadó.