Меню

Привод постоянного тока для станка

Особенности применения электродвигателей постоянного тока для электроприводов станков с ЧПУ

В приводах подач и главного движения большинства станков с ЧПУ наибольшее применение получили электродвигатели постоянного тока,которые могут изменять скорость вращения при вы­соком быстродействии и обладают довольно большой перегрузочной способ­ностью. Одной из характерных особенностей этих машин является нали­чие коллекторного узла, отчего их часто называют коллектор­ными. Коллектор — изменяет направления тока в проводниках обмотки якоря (ротора), когда он переходит из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой поляр­ности, т. е. для создания постоянного (направленного в одну сторону) вращающегося электромагнитного момента.

Двигатели общепромышленного назначения

Конструкция электродвигателя постоянного тока общепромыш­ленного назначения изображена на рис. 2.1.

Главные полюсы статора состоят из сердечников 4 и обмоток главного полюса 3.

Чаще всего из листов электро­технической стали набирают сердечники (шихтуют). Якорь двигателя состоит из сердечника 5, об­мотки 2, коллектора с щеткодержателем 6 и вала якоря

Рисунок 2.1.Двигатель постоянного тока общепромышленного назначения

Рисунок 2.1.Двигатель постоянного тока общепромышленного назначения

где: I — вентилятор, 2 — обмотка якоря, 3— обмотка главного полюса, 4 — сердечник главного полюса, 5 — сердечник якоря, 6 — коллектор

Из листов электротехнической стали набирается также и сердечник. Предварительно эти листы покрывают перед сборкой изолирующим лаком, чтобы уменьшить величину вихревых токов, которые возникают в результате перемагничивания. В пазы якоря уло­жена обмотка, которая состоит из секций. Концы ее припаиваются к пластинам коллектора. Для охлаждения двигателя на валу закрепляют вентилятор. Положение якоря фиксируется подшип­никовыми щитами с подшипниками качения или скольжения. С помощью графитовых щеток осуществляют электрический контакт с внешней цепью питания электроэнергией. В щеткодержателе находятся щетки и прижимаются к коллектору пружинами.

Создание магнитного поля в машине постоянного тока называют возбуждением. По способу возбуждения машины подразделяют на:

  • машины с независимым возбуждением. У них обмотку воз­буждения подключают к независимому источнику тока и электрически она не соединяется с обмоткой якоря;
  • машины с параллельного возбуждения (шунтовые). У такого рода машин обмотку возбуждения подключают па­раллельно к обмотке якоря и они запитываются от одного источника;
  • машины с последовательного возбуждения (сериесные). У них обмотку возбуждения включают последовательно с обмот­кой якоря;
  • машины со смешанного возбуждения (компаундные) — имеет и последовательную и параллельную обмотку возбуж­дения;
  • возбуждение от постоянных магнитов.

Электротехническая промышленность для станкостроения выпус­кает электродвигатели постоянного тока серии 2П с независи­мым, параллельным или смешанным возбуждением. Большой диапа­зон мощностей (0,37—200 кВт), а также частоты вращения вала(750— 3000 об/мин) двигателей этой серии. И они имеют довольно широкий диапазон регулирования скорости вращения вала делают их незаменимыми в автома­тизированных электроприводах главного движения и подач.

Номинальные напряжения для двигателей данной серии 110, 220, 340, 440 В и соответственно частоты вращения 750, 1000, 1500, 2200 и 3000 об/мин. По конструктивным признакам, по роду защиты и охлаждения различают защитное, защищенное и закрытое испол­нения, двигатели с самовентиляцией, с независимой вентиляцией, с естественным охлаждением, с обдувом от постоянного вентилятора. Выпускаются также двигатели со встроенными тахогенераторами. Конструктивное исполнение, наличие или отсутствие тахогенератора, охлаждение, габаритные размеры и климатическое исполнение ука­зываются в обозначении двигателя. Например, 2ПФ160ЬГУ4 — электродвигатель постоянного тока серии 2П. Тип исполнения – защищенное. Охлаждение производится независимой вентиляцией от постороннего вентилятора (Ф). Высота оси вращения 160 мм, второй длины (Ь). С тахогенератором (Г), климатическое исполнение — У, категория размеще­ния — 4.

Благодаря созданию новых магнитных материалов (таких, как магниты типа «альнико», самарийкобальтовые магниты, ферриты, редкоземельные магниты), обладающих отличными магнитными характеристиками, все более широкое применение получают двига­тели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. В настоящее время только высокая стоимость магнитных материа­лов препятствует вытеснению ими двигателей с электромагнитным возбуждением.

Для использования в приводах подач станков с ЧПУ помимо двигателей традиционного исполнения также применяют малоинерционные и высокомоментные дви­гатели постоянного тока.

Малоинерционные двигатели

В малоинерционных двигателях значительное бы­стродействие достигается в результате снижения момента инерции якоря путем уменьшения его массы или создания нетрадиционной торцевой конструкции с дисковым якорем. Якорь таких двигателей выполняется в виде диска из гетинакса, на обеих сторонах которого размещена обмотка в виде печатного монтажа. Малоинерционный двигатель серии ПЯ с печатной обмоткой (рис. 2.2) изготовляют в закрытом фланцевом исполнении с естественным охлаждением и с возбуждением от постоянных магнитов.

Малоинерционный торцевой двигатель постоянного тока

Рисунок 2.2. малоинерционный торцевой
двигатель постоянного тока

где: 1 — корпус, 2 — статор с постоянными магнитами, 3,5 — электромагнитные коль­ца, 4 — щеткодержатель, 6 — якорь с пе­чатной обмоткой.

Наличие намагниченного яко­ря исключает изменение магнитного потока, а значит, и колебания вращающего момента и частоты вращения, что особенно важно при работе на малых частотах вращения. Недостатком малоинерционных двигателей в связи с небольшой массой якоря и незначительным «временем их нагрева является не­допустимость длительной работы с моментом нагрузки, превышаю­щим номинальный. Как и двигатели серии 2П, малоинерционные двига­тели соединяются с ходовым вин­том станка с ЧПУ промежуточной меха­нической передачей.

Высокомоментные двигатели постоян­ного тока

Высокомоментные двигатели постоян­ного тока с возбуждением от постоянных магнитов имеют низкую номинальную частоту враще­ния. Низкие номинальные скорости вращения позволяют устанавли­вать их в станки и механизмы без редукторов. Это довольно существенно упрощает конструк­цию электроприводов и дает возможность приблизить источник движения к исполнительному органу станка. Номинальная частота вращения высокомоментных двигателей составляет обычно 1000 об/мин. Он мо­жет работать значительное время при больших перегрузках.

Обычно высокомоментные дви­гатели выпускают со встроенными электромагнитным тормозом, тахогенератором и датчиком положения. На рис. 2.3 показан пример компоновки такого двигателя.

Высокомоментный двигатель постоянного тока

Рисунок 2.3. Высокомоментный двигатель постоянного тока

где: 1 — корпус, 2 — постоянные магниты, 3 — якорь, 4 — электромагнитный тормоз, 5 — тахогенератор, 6 — датчик положения (резольвер), 7 — механическая передача, 8 — соединительная муфта.
Тормоз 4 служит для предотвращения аварий в случае отключения напряжения питания сети, а также для быстрого торможения подвижных узлов станка. Тахогенератор 5 является датчиком скорости двигателя в системе обратной связи его управления. Для обратной связи при управлении двигателем служит также и датчик положения 6, выдающий электрический сигнал, пропорциональный углу поворота вала двигателя. Такая | встроенная конструкция позволяет не только снизить габаритные I размеры привода, но и в результате упрощения связей повысить точность позиционирования.

В свою очередь, наличие постоянных магнитов позволяет умень­шить габаритные размеры системы возбуждения и самого двигателя и улучшить его энергетические и динамические характеристики. Таким образом, эффект от применения высокомагнитных двига­телей в станках с ЧПУ складывается из повышения производительности станка и упрощения его кинематической схемы. Повышение же производительности двигателя достигается в результате увеличения скорости быстрых перемещений, большого диапазона регулирова­ния скорости и малой его инерционности.

Отечественной промышленностью для работы в электроприводах станков с ЧПУ выпускают высокомоментные двигателя серий ПВБ, ПВ и ДК, отличающиеся формой и материалом постоянных магнитов и якоря. Эти отличия вызваны стремлением снизить диаметр якоря и соответственно момент его инерции. Наличие встроенных устройств, а также степень их защиты и габаритные размеры указываются в условном обозначении типа двигателя. Например, ПБВ160ЬСУЗ — двигатель постоянного тока (П). исполнение — закрытое (Б); высоко­моментный, возбуждение производится от постоянных магнитов (В). Высота оси вращения 160 мм, второй длины (Ь). Имеет в наличии встроенный тахогенератор (С). Климатическое исполнение и категория размеще­ния УЗ.

Целесообразность применения машин постоянного тока и способы регулирования скорости вращения этих машин

Важнейшим достоинством всех рассмотренных машин по­стоянного тока является возможность плавного регулирования их частоты вращения в широких пределах.

В электроприводах с машинами постоянного тока это регули­рование чаще всего осуществляется следующими способами: изме­нением напряжения в цепи якоря, импульсным питанием якорной цепи, изменением основного магнитного потока.

При регулирования напряжения в цепи якоря машины постоянного тока с независимым возбуждением подключается к источнику питания где возможна регулировка напряжения (генератор постоян­ного тока или полупроводниковые преобразователи). Скорость вращения при таком регулировании изменяется прямо пропорционально на­пряжению. Такое регулирование позволяет изменять скорость вра­щения двигателя только в сторону понижения от номинального значения, так как напряжение на якоре свыше номинального недопустимо. Обмотка возбуждения при этом питается от другого источника напряжения. В случае необходимости изменения направления вращения двигателя (реверсирования) изменяют направление тока якоря или возбуждения путем переключения полярности напряжения на соответствующих обмотках.

При регулировании скорости вращения импульсным питанием яко­ря его цепь периодически прерывается. Во время замыкания цепи якоря к его обмотке подводится напряжение и появляется ток. При размыкании этой цепи ток резко убывает. Таким образом, к обмотке якоря подводится некоторое среднее напряжение, которое зави­сит от частоты прерывания тока. Соответственно среднему напря­жению изменяется и скорость вращения.

В машинах с электромагнитным возбуждением частота враще­ния регулируется третьим способом — изменением основного магнит­ного потока. Если уменьшить ток в обмотке возбуждения, то и умень­шится магнитный поток и возрастет скорость вращения вала. Так как токи возбуждения невелики, этот способ регулирования является довольно экономичным. Такой способ, в отличие от предыдущих способов, позволяет регулировать частоту вращения в сторону увеличения от номинального значения.

Для расширения диапазона регулирования скорости как в сторону повышения, так и в сторону понижения для машин постоянного тока с электромагнитным воз­буждением применяют одновременное регулирование частоты враще­ния изменением токов якоря и обмотки возбуждения — или двухзонное регулирование.

Источник

Как выбрать привод для двигателя станка с ЧПУ

драйвера шаговых двигателей купить цена

сервопривод купить

Как выбрать привод станка ЧПУ

Использование наиболее подходящего драйвера для двигателя позволяет добиться максимальной эксплуатационной надежности привода, а также снизить энергопотребление, поэтому очень важно правильно выбрать привод станка.

Электрические приводы, используемые в промышленном оборудовании, потребляют огромное количество энергии. Практически любая автоматизированная операция на производстве — от упаковки и наклеивания этикеток до перемещения заготовок с помощью робота — требует использования хотя бы одного электрического привода. Таким образом, при подборе интеллектуальных и интегрированных драйверов инженерам необходимо учитывать эти энергозатраты.

Энергоэффективность привода определяется множеством факторов, поэтому для того, чтобы выбрать оптимальный драйвер, используются достаточно сложные методы. Однако, конструкторы и инженеры упрощают эту задачу, применяя аналитический подход к оценке механики и энергопотребления приводов. Нижеприведенное пошаговое руководство поможет вам правильно определить конструкцию и типоразмер привода, а также подобрать драйвер, позволяющий реализовать максимально энергоэффективную систему. (См.также «Какова разница между мотором и драйвером?»)

Анализ и сравнение драйверов

В общем случае, полноценный привод состоит из механических и электрических/электронных компонентов. С учетом этого, можно рассчитать общую энергоэффективность системы, а также объем выброса CO2 и связанные с этими факторами производственные издержки. Кроме того, можно оценить потенциальную экономию электроэнергии и снижение затрат за счет использования системы рекуперативного торможения вместо тормозного резистора. Другим важным фактором достижения максимальной эффективности привода является выбор компонентов, параметры которых точно соответствуют конкретной задаче. При этом компоненты привода не должны быть переразмеренными, равно как не должны подвергаться перегрузкам.

1привод.jpg

Многоскоростные двигатели, совпадающие по типоразмерам с двигателями классов энергоэффективности IE1 и IE2, генерируют более высокую мощность на валу, позволяя инженерам использовать двигатели меньшего типоразмера для той же выходной мощности.

Оценка энергоэффективности проводится с использованием специального программного обеспечения, позволяющего определить характеристики привода для конкретного целевого применения. Такой подход позволяет предотвратить использование переразмеренных моторов и драйверов.

Кроме того, существует конструкторское программное обеспечение, которое моделирует различные режимы работы, оценивает энергопотребление и дает рекомендации по использованию определенных компонентов. Это же ПО проводит так называемый «энергетический аудит», который показывает энергопотребление отдельных компонентов привода. Имея под рукой результаты аудита, конструктор может провести пошаговое сравнение характеристик механических и электрических/электронных компонентов привода.

Читайте также:  Как заряд связан с током

Универсальность энергоэффективных драйверов

Правильно выбранный драйвер дает конструктору широкий простор, чтобы выбрать шаговый двигатель надлежащего типоразмера и достаточной мощности, а также позволяет отказаться от более дорогостоящих и менее эффективных моторов. Классические трехфазные двигатели переменного тока имеют прямую зависимость между типоразмером и эффективностью. В результате, конструктор сталкивается с проблемой размещения больших двигателей в корпусе оборудования и другими трудностями. Например, более крупные роторы имеют большую инерцию, что влечет за собой повышенное энергопотребление при изменении частоты вращения.

Для стандартного четырехполюсного трехфазного двигателя переменного тока оптимально использовать питание с частотой 120 Гц, поскольку оно позволяет добиться максимальной выходной мощности, наилучших динамических характеристик, широкого диапазона частоты вращения и высокой энергоэффективности. Многоскоростные двигатели не только обеспечивают широкий диапазон частот вращения и имеют высокий КПД, но и позволяют снизить расходы благодаря максимальному энергосбережению. Большинство многоскоростных трехфазных двигателей с частотой 120 Гц было разработано в первую очередь для повышения КПД и улучшения энергосберегающих характеристик.

Компактные многоскоростные двигатели переменного тока с частотой сети 120 Гц позволяют экономить пространство и особенно востребованы для оборудования, в котором требуется переменная частота вращения вала. Такие двигатели более эффективны, нежели двигатели класса IE2, и позволяют регулировать частоту вращения в диапазоне 24:1. К примеру, регулировка частоты вращения обычных двигателей может осуществляться в диапазоне 3:1. Поскольку двигатели с частотой сети 120 Гц имеют более широкий диапазон частот вращения, они могут использоваться в оборудовании, в котором один двигатель должен обеспечивать работу на различных частотах вращения с постоянным крутящим моментом.

В конечном счете, потребителям важны надежность и доступность двигателя. Например, для автоматизированных складов очень важно обеспечить высокую пропускную способность, плотность размещения и энергоэффективность, поскольку это обеспечивает снижение расходов. При этом оборудование должно иметь максимально гибкие регулировки. Двигатели переменного тока с частотой 120 Гц обеспечивают все необходимые для этого характеристики и могут использоваться в оборудовании различных целевых назначений. Эти компактные трехфазные двигатели могут использоваться в энергоэффективных приводах без необходимости внесения дорогостоящих изменений в конструкцию оборудования.

2привод.jpg

Асинхронные двигатели, оптимизированные для работы в приводе с регулируемой частотой вращения, обеспечивают постоянный крутящий момент в более широком диапазоне скоростей в сравнении со стандартными двигателями.

Асинхронные исполнения многоскоростных двигателей с частотой 120 Гц, оптимизированные для работы с инвертором, могут быть на 2 типоразмера меньше по сравнению со стандартными двигателями класса IE2, имеющими схоже характеристики. Кроме того, такие двигатели отличаются меньшей инерционностью ротора, поскольку он имеет меньшие размеры и массу. Это позволяет добиться более быстрого динамического отклика, благодаря чему двигатель в состоянии разогнаться с 0 до 3500 об/мин всего за 500 мсек.

Новые высокопроизводительные устройства транспортировки и хранения позволяют максимально быстро перемещать товары по складу. Энергоэффективный привод и система управления обеспечивают необходимые для этого динамические характеристики. Применение в конструкции композитных материалов в качестве замены металлических значительно снижает нагрузку, в результате чего масса привода может быть заметно уменьшена, что в свою очередь дает возможность использования валов меньших диаметров. Сниженная нагрузка и инерционность, а также применение синхронных серводвигателей позволяют добиться выдающих скоростных характеристик для устройств транспортировки и хранения.

Эффективное преобразование энергии

Самая дорогая энергия — это неиспользованная энергия. Многие устройства с электрическими приводами требуют частого разгона и торможения. Таким образом, правильная организация процесса торможения может значительно повысить КПД устройства. В фазу ускорения или подъема груза электрическая энергия преобразуется в кинетическую энергию, часть которой подлежит преобразованию при торможении привода или опускании груза. Эта энергия зачастую преобразуется в тепло, генерируемое в тормозных резисторах и абсолютно неиспользуемое. В некоторых устройствах существует возможность перенаправления этой энергии в другие части привода или кратковременного накопления в конденсаторах с последующим повторным использованием освобожденной энергии в питающих цепях устройства. Рекуперированная энергия является наиболее полезной и экономически выгодной при мощностях свыше 5 кВт, однако экономия энергии в данном случае является всего лишь номинальной.

Механическая энергия, генерируемая электроприводом, должна использоваться в автоматическом режиме с целью максимально эффективного использования. Более трети новых трехфазных двигателей переменного тока предназначены для работы с инверторами с электронным управлением. Преимущества таких двигателей становятся более очевидными в узлах, включающих в себя редукторы и инверторы. Сочетание высокоэффективного редукторного двигателя переменного тока с устанавливаемым на нем децентрализованным инвертором обеспечивает простоту и необходимую энергоэффективность системы, а также избавляет от необходимости использования шкафа управления.

При использовании стандартной схемы размещения устройств в шкафу, компактные децентрализованные инверторы позволяют минимизировать требования к габаритам шкафов. Децентрализованные драйверы имеют малую высоту, монтируются непосредственно на двигателе и могут быть дополнены редуктором для достижения КПД от 92 до 98%.

Расчет энергосбережения

Введение класса энергоэффективности IE2 привело к развитию инверторов, позволяющих добиться высоких показателей эффективности без потерь производительности. К примеру, многие децентрализованные инверторы адаптируют токи намагничивания мотора к текущим потребностям, в результате чего снижаются потери, особенно при частичной загрузке. В свою очередь, это увеличивает эффективность и снижает энергопотребление на величину до 30%.

3привод.jpg

Многоскоростные двигатели обеспечивают широкий диапазон частот вращения и высокий КПД с одновременным снижением энергопотребления и связанных с ним затрат. Электрические обмотки этих двигателей оптимизированы под номинальный ток с напряжением 380 В и частотой 120 Гц, при номинальной частоте вращения 3500 об/мин, при этом сохраняется максимальная гибкость регулировки. Такие двигатели имеют относительно небольшие размеры, высокий КПД и могут использоваться в сочетании с двухступенчатым коническим редуктором с КПД 96%, имеющим легкий алюминиевый корпус и высокоточные зубья повышенной износостойкости.

Большинство специалистов по электрике и электронике соглашаются, что синхронные двигатели с постоянными магнитами соответствуют стандарту эффективности IE3. Децентрализованные драйверы могут запускать эти двигатели без необходимости обеспечения обратной связи. Такая реализация также позволяет использовать разомкнутую систему управления в некоторых устройствах с позиционированием. Возможность сэкономить на обратной связи является несомненным плюсом таких драйверов.

В качестве наглядного примера рассмотрим центр распределения продуктов питания, в котором задействовано 10000 двигателей с редукторами и драйверами. Для такой системы достаточно приблизительно рассчитать общие затраты, связанные с двигателями, чтобы подчеркнуть важность правильного подбора типоразмеров.

Предположим, что в этом центре используются только двигатели выходной мощностью 2 кВт, которые при полной нагрузке имеют КПД 84% и соответствуют классу энергоэффективности IE2. Каждый двигатель потребляет мощность, равную 2000/0.84 = 2381 Вт. Таким образом, каждый из двигателей будет потреблять 57 кВт*ч энергии в сутки. Если принять стоимость за 1 кВт*ч, равную $0.10, то стоимость энергии для работы каждого двигателя за сутки составит $5.70. Если правильный подбор типоразмеров двигателей и использование мехатронных модулей позволит повысить эффективность хотя бы на 1%, центр будет экономить ежедневно $570 на электричестве.

4привод.jpg

Децентрализованные драйверы, имеют малую высоту, монтируются непосредственно на двигателе и могут быть дополнены редуктором для достижения КПД от 92 до 98%. Такая реализация позволяет напрямую передавать энергию двигателю с минимальными потерями и значительной экономией пространства.

Правильно подобранные приводы значительно упрощают жизнь и очень ценятся конечными потребителями. Для выполнения корректного подбора двигателя необходимо понимать принцип работы вашего оборудования, а также знать, какие технологии следует применить для достижения максимальной эффективности эксплуатации. Таким образом, при разработке автоматизированной системы необходимо сотрудничать с компаниями, имеющими богатый опыт в производстве компонентов и построении полноценных систем. Такой подход гарантирует эффективность совместной работы аппаратной части и программного обеспечения, будь то многокомпонентная система, отдельный узел оборудования или комплекс оборудования на крупном производственном предприятии.

Источник

Электропривод станка, в поисках золотой середины.

Продолжаем тему, начатую в предыдущем номере, о том, как не повторять ошибки совершенные ранее Вашими коллегами.

Модернизация станка, в первую очередь подразумевает обновление систем ответственных за точное перемещение инструмента и детали. Проблем связанных с механической обработкой и заменой изношенных механических узлов мы касаться не будем, поговорим об электроприводе, так как без него ни один станок работать не будет.

На большинстве отечественных станков ранее штатно устанавливались двигатели постоянного тока. Они относительно надежны и неприхотливы в эксплуатации. Однако это не относится к их щеточным аппаратам, которые требуют регулярного контроля и обслуживания. Возникает законное желание оставить их на станке. Отдельный разговор — настройка приводов постоянного тока. Штука сложная, настроить такой привод может только специалист, а если его нет или он заболел, то приходится его искать на стороне, а станок при этом простаивает, принося убытки вместо прибыли. В крайнем случае, при острой нехватке средств, можно конечно «постоянники» и оставить, но лучше заменить привода на современные. Выбор новых приводов очень широк, только одних производителей станочных приводов наберется с сотню. Кого выбрать — решайте сами, как выбрать — постараемся разобраться.

Собственно вариантов замены старого привода на новый, не так уж много. Осталось найти тот, который наиболее полно будет соответствовать поставленной задаче:

Асинхронный электродвигатель с датчиком поворота (энкодером) на валу и преобразователем частоты с обратной связью — наиболее простой вариант замены. При выборе надо учитывать, что у асинхронного электродвигателя, при одинаковой мощности, крутящий момент меньше чем у электродвигателя постоянного тока. Обычно выбирается двигатель на 20-30% большей мощности. Современные асинхронные привода позволяют получить характеристику скорость/момент не хуже чем у привода постоянного тока. Причем у них отсутствуют щетки, а все остальное в обслуживании практически не нуждается. Поставили на станок, настроили и забыли, просто и удобно.

Асинхронный электродвигатель с преобразователем частоты без обратной связи. Если требуется выбрать привод для вращения патрона токарного станка, не предназначенного для нарезания резьбы и прочих операций, требующих позиционирования патрона, то использование привода с обратной связью не всегда будет оправдано, в некоторых случаях можно обойтись обычным общепромышленным асинхронным электродвигателем и преобразователем частоты без обратной связи или с виртуальной обратной связью.

Бесколлекторный электродвигатель на постоянных магнитах с датчиком положения ротора (резольвером или абсолютным энкодером) и преобразователем частоты — этот лучший вариант замены, но не самый экономичный. Бесколлекторный электродвигатель выбирается по требуемой частоте вращения вала и максимальному крутящему моменту. Выбирать такой мотор по мощности не стоит, так как их характеристики сильно отличаются как от двигателей постоянного тока, так и асинхронных. Эти электромоторы при меньших габаритах обеспечивают больший крутящий момент, что может являться решающим фактором при недостатке места для монтажа. В обслуживании они так же не нуждаются.

Бесколлекторный электродвигатель на постоянных магнитах с датчиком положения ротора, преобразователем частоты и безлюфтовым редуктором — очень хорошее решение для приводов, где не требуется большая скорость. За счет использования редуктора, можно увеличить крутящий момент, используя двигатель и преобразователь частоты меньшей мощности. Не стоит пугаться высокой стоимости безлюфтовых редукторов, стоимость маломощного двигателя с редуктором, скорее всего, окажется ниже, чем электродвигателя большой мощности. Вполне возможно, что двигатели изначально стоявшие на Вашем станке, обеспечивали такие максимальные скорости перемещения, каким Вы никогда не пользовались и, переоценив необходимые скоростные характеристики можно хорошо сэкономить на приводах, не потеряв в качестве работы станка.

Читайте также:  Транзисторные преобразователи напряжения постоянного тока

Линейный электродвигатель прямого привода с преобразователем частоты— достаточно новое явление на станочном рынке. Конструктивно это тот же Бесколлекторный электродвигатель на постоянных магнитах, ротор и статор которого развернуты в плоскости. Имеет серьезные преимущества по сравнению с обыкновенными электродвигателями — отсутствие редуктора и шарико-винтовой пары, превосходная динамика, большая скорость перемещения, отсутствие люфтов. Но при модернизации станка может потребовать значительной переделки механической части, потому его использование более целесообразно в новых станках или при серьезной модернизации механики. Первый взгляд на цену такого привода может напугать. Однако следует сравнить его стоимость с тем, во сколько обойдется покупка всех компонентов отдельной оси перемещения из привычных компонентов:

Весь этот комплект заменяется линейным приводом и при таком сравнении он уже не кажется чрезмерно дорогим.

Еще одним преимуществом линейного привода является наличие датчика линейного перемещения установленного на каретке, что позволяет отказаться от использования дополнительных магнитных или оптических линеек для точного считывания перемещений.

Шаговый электродвигатель с блоком управления — сомнительный выбор, однако также применяется в станках, где его использование оправдано в силу каких либо причин. Простота управления и относительно низкая цена, как самих двигателей, так и их блоков управления, позволяет строить на шаговых двигателях очень дешевые системы перемещения, например для гравировальных или фрезерных столов «гаражного» изготовления. В качестве управляющей системы ЧПУ в таком случае используется обычный компьютер. Главным недостатком шаговых двигателей является небольшой крутящий момент, низкая максимальная скорость, достаточно большая величина «шага», ярко выраженный «шаговый» характер перемещения на низких скоростях, большую потребляемую мощность в состоянии покоя и крайне неприятную возможность проскальзывания шага при чрезмерной нагрузке. Эти недостатки частично компенсируются использованием понижающей передачи, однако максимальная скорость при этом падает еще больше. Значительно улучшить характеристики шагового двигателя, можно используя дробление шага и обратную связь по положению вала, но это резко увеличивает стоимость системы.

Электродвигатель постоянного тока с блоком управления — если и стоит рассматривать, то как крайний вариант. До сих пор производимые в нашей стране и бывшем соцлагере, блоки управления и сами двигатели постоянного тока, своим качеством изготовления, возможностями и сервисом только усугубляют проблемы их эксплуатации и обслуживания. Асинхронный или бесколлекторный электродвигатель позволяют решать те же задачи, но с меньшими затратами и головной болью.

Применение датчиков угла поворота и линейного перемещения так же имеет некоторые тонкости, которые следует учитывать при модернизации станочного оборудования.

Большинство электроприводов станка имеют датчики на валу электродвигателя, в большинстве случаев сигналы этих датчиков можно использовать для контроля перемещения оси со стороны СЧПУ, но в некоторых случаях такое использование недопустимо. Датчик, отслеживающий положение и перемещение оси, должен иметь жесткую связь с точкой, в которой контролируется позиция. В некоторых случаях наличие люфтов, возможно, скомпенсировать в настройках программы СЧПУ, однако это возможно только в том случае, когда люфт имеет одинаковую величину на всей протяженности перемещения. Например: люфт в цилиндрическом редукторе имеет практически неизменную величину и легко компенсируется программно. Другой пример — изношенная зубчатая рейка, в данном случае величина люфта будет меняться в зависимости от степени изношенности зубьев рейки, и его программная компенсация может оказаться невозможной. В данном случае логично будет установить дополнительно линейный датчик, непосредственно на перемещаемый узел.

Иногда возникает обратная ситуация, имеется асинхронный электродвигатель без датчика и датчик имеющий механическую связь с двигателем но установленный после редуктора или коробки переключения скоростей, например на валу патрона токарного станка. Возникает желание использовать этот датчик в цепи обратной связи по скорости преобразователя частоты. Однако ввиду того, что цилиндрические редукторы имеют люфты в зубчатых передачах, использование такой обратной связи может оказаться невозможным, так как для нормальной работы, преобразователю частоты необходимо, чтобы датчик поворота вала имел жесткую связь с электродвигателем. По той же причине невозможно использовать для контроля скорости, датчики соединенные с валом электродвигателя через ременные передачи. Так как в ременном приводе возможно проскальзывание и ремень может растягиваться при изменении нагрузки, добавляя в цепь обратной связи неконтролируемое упругое звено.

Как итог изложенного следует, что датчик положения ротора должен быть закреплен непосредственно на валу электродвигателя или, если это невозможно, в качестве крайней меры, на выходном валу безлюфтового редуктора. По этому датчику, так же возможно контролировать положение и перемещение исполнительного узла, при условии, что в кинематической схеме отсутствуют элементы проскальзывания и неравномерных люфтов. В противном случае, следует использовать для контроля позиции отдельный датчик, соединенный непосредственно с перемещаемым узлом.

Еще один вопрос, на котором стоит остановиться отдельно — как осуществляется связь преобразователя частоты и управляющей части станка, например системы ЧПУ. Самый старый и распространенный вариант, это управление аналоговым сигналом по напряжению амплитудой 5 или 10 вольт или по току 0..20ма или 4..20ма. Аналоговое управление достаточно просто реализуется, но имеет существенный недостаток — подверженность электромагнитным помехам. Практически любой блок управления электродвигателем (как постоянного тока, так и асинхронным) имеет на выходе импульсное напряжение высокой энергии, которое создает помехи в слаботочных цепях расположенных по соседству. Причем аналоговые сигналы с управлением по напряжению более подвержены помехам, чем токовые. Полностью избавиться от этих помех невозможно, можно только минимизировать их влияние установкой выходных фильтров, правильным экранированием всех аналоговых и силовых цепей и использованием гальванической развязки. Неправильное соединение цепей экранирования и заземления — одна из распространенных причин вызывающих проблемы при работе приводов на станке. Причем часто возникает ситуация что в процессе наладки привод работает нормально, а проблемы появляются только в процессе работы, когда одновременно функционируют несколько приводов станка.

Гораздо проще бороться с помехами, если управляющие сигналы от СЧПУ к приводу передаются в цифровом виде. При этом задание скорости приводу не проходит двойного преобразования «цифра-аналог-цифра» что вносит свои ошибки, а так же в намного меньшей степени подвержено влиянию внешних электромагнитных помех. Современные привода обычно позволяют работать с несколькими цифровыми интерфейсами, выбор одного из вариантов осуществляется установкой платы или модуля расширения в блок управления. К сожалению, многие системы ЧПУ, производимые в настоящее время, не позволяют использовать цифровое управление приводом, а используют только управление аналоговым сигналом. Поэтому при выборе интерфейса, стоит предварительно убедиться, что он поддерживается СЧПУ, которую вы собираетесь использовать или искать СЧПУ имеющую такую возможность.

Некоторые системы ЧПУ, рассчитанные для управления шаговыми двигателями, используют для управления приводами дискретные сигналы «направление, шаг». Этот способ можно считать достаточно хорошо защищенным от помех, однако изначально он ориентирован на пошаговое перемещение, и использовать его для управления приводами других типов затруднительно.

Существует еще один интересный вариант построения станка с ЧПУ, это использование систем в одном корпусе сочетающих преобразователи частоты и контроллер управления движением. В таком варианте управление преобразователями частоты осуществляется по скоростному цифровому интерфейсу внутри блока. Такой вариант имеет значительные преимущества по сравнению с обычной конфигурацией, когда контроллер управления движением (СЧПУ) и преобразователи частоты располагаются отдельно, это наилучшая согласованность элементов системы, высокая помехозащищенность и что немаловажно экономия пространства внутри шкафа управления. Преобразователи частоты встроенные в такие устройства обычно имеют большое количество вариантов настройки для работы с электродвигателями различных типов и производителей. Управление блоком осуществляется по последовательному интерфейсу от внешней панели оператора (или индустриального компьютера, выполняющего роль операторской панели) и устройства хранения и редактирования управляющих программ. Такой вариант удобен еще и тем, что панель оператора можно отнести на достаточно большое расстояние от шкафа управления. При этом не требуется тянуть больше количество проводов к пульту, так как датчики и клапаны, концевые выключатели и прочие элементы подключаются к контроллеру движения, а все данные передаются в пульт оператора по последовательному интерфейсу, требующему максимум четыре провода.

Еще одна проблема, которую надо учитывать при выборе приводов, это возможность сопряжения датчика на валу двигателя с блоком управления. Одно то, что на двигателе закреплен резольвер, а в преобразователе частоты установлена плата связи с резольвером, еще не является гарантией работоспособности такой связки. Резольверы разных производителей могут быть рассчитаны на различные рабочие напряжения и частоты, так же распайка разъемов датчиков у разных производителей может отличаться. Если электродвигатель и блок управления изготовлены одним производителем и продаются комплектно, таких проблем не возникает. Но если вы собираетесь использовать двигатели уже установленные на станке или просто компоненты от разных производителей то стоит предварительно убедится в их совместимости, причем не «по телефону», а взяв образец у поставщика для испытаний. Серьезные продавцы приводной техники предоставляют такую возможность, а с другими лучше не связываться

Планируя модернизацию станка, стоит призадуматься и об эффективности работы на нем. Даже если станок предназначается исключительно для ручного перемещения инструмента, стоит оснастить его устройством цифровой индикации, что, несомненно, ускорит операции по обработке деталей, так как рабочему не придется периодически останавливать станок для измерений. Стоимость УЦИ невысока, а эффект от ее использования будет виден уже в первый день работы. Это самый простой дешевый способ добавить станку удобства и качества работы. Перемещение инструмента выполняется вручную, но координаты уже считываются и отображаются автоматически.

Немного сложнее вариант использования УЦИ с предварительным набором позиции. Это ещё не система ЧПУ, но уже подразумевает наличие приводов подачи. Её имеет смысл использовать на тех станках, где уже есть привода подачи, но управление ими осуществляется вручную. Станочнику достаточно задать скорость и расстояние перемещения, дальше все сделает автоматика, значительно сокращается шанс «проскочить» требуемую точку. Скорости работы это прибавит немного, зато человек, работающий на станке, меньше устанет и сделает меньше ошибок. Особенно эффективна такая схема, когда выполнение одной операции занимает продолжительное время, например токарная обработка длинномерных деталей с малыми подачами.

Ну и, наконец, вершина инженерной мысли — СЧПУ. Собственно это не более чем компьютер, выполняющий одну единственную программу «управление станком». Бытует ошибочное мнение, что система ЧПУ требуется только там где идет серийное изготовление одинаковых деталей. Это совсем не обязательно и скорее даже наоборот, конечно станок «автомат» выдаст больше деталей чем «ручной», но даже при штучном производстве система ЧПУ позволит оптимизировать процесс за счет автоматизации простых операций вроде нарезания резьбы или глубокого сверления. Конечно, даже самая простая система ЧПУ стоит немалых денег и прежде чем решится на её использование стоит посчитать затраты.

Сейчас на рынке представлено большое количество систем ЧПУ как отечественного, так и импортного производства и первый раз оказавшись перед проблемой выбора можно растеряться. Хотя на самом деле все не так страшно. В первую очередь стоит определиться, сколько координат имеется на станке. Естественно выбранная СЧПУ должна поддерживать не меньше осей, чем есть на станке. Далее стоит определиться требуется ли линейное и нелинейное перемещение по нескольким осям одновременно. Некоторые системы ЧПУ в минимальной комплектации поддерживают только линейную интерполяцию по двум осям, дорогие системы позволяют согласованно перемещать 6-8 осей по различным нелинейным траекториям. Разнообразие возможностей конечно хорошо, однако, зачем нам 8 осей с интерполяцией на простом сверлильном станке? Выбирать стоит систему, содержащую все требуемые и минимум ненужных функций, ведь платить придется за все, даже за неиспользуемые опции. Следует очень внимательно пересчитать все имеющиеся на станке датчики, органы контроля и управления (конечные выключатели, кнопки, манипуляторы, и.т.д.) и исполнительные механизмы (электромагнитные муфты, электроклапаны, и.т.д.) для того чтобы определить количество требуемых дискретных входов и выходов. Некоторые системы имеют ограничение по количеству входных и выходных сигналов, другие позволяют добавлять необходимое количество, подсоединяя дополнительные модули расширения. Если в процессе окончательной сборки станка обнаружится что, не хватает двух-трех релейных выходов, то добавить их будет очень сложно, значительно проще в процессе разработки заложить 20%-й избыток, он может пригодиться и при модификации станка в будущем.

Читайте также:  Простые схемы регулировки напряжения переменного тока

Неплохо также перед приобретением убедиться, что данная СЧПУ сопрягается с выбранными Вами приводами, а еще лучше получить об этом письменное подтверждение фирмы изготовителя или проверить самому до приобретения.

Иногда проблемы возникают в стыковке СЧПУ датчикам положения, магнитными или оптическими линейками, о возможности сопряжения всех используемых у Вас датчиков стоит предварительно проконсультироваться с производителем. Таким образом, можно избежать многих неприятностей в процессе пуско-наладочных работ.

Еще стоит упомянуть проблему, возникающую в основном в больших цехах старых предприятий, это сеть. В теории, то есть в распределительном щите цеха должно быть 3 фазы по 380 вольт, вот только на практике такое встречается редко. Нагрузки большой мощности, коммутируемые в цеху, и недостаточное сечение питающих цех кабелей приводят к сильным просадкам сетевого напряжения, а это в свою очередь одна из основных причин сбоев станков со сложной электроникой. Для станков без электроники, имеющих в электрической части один или несколько двигателей, такие просадки могут быть незаметны, а вот для системы ЧПУ это может стать причиной отказа. Поэтому стоит проконтролировать состояние питающей сети в цеху и при значительных отклонениях напряжения использовать для питания СЧПУ устройство бесперебойного питания или как минимум стабилизатор напряжения, хотя как показывает практика, на производстве он малоэффективен. Возможно, окажется полезным, проложить к станку отдельный кабель от распределительного щита, стоит это недорого, а снижение помех от питающей сети позволит избежать многих проблем в работе.

Источник



Привод постоянного тока для станка

Приводы постоянного тока служат для управления двигателями постоянного тока. Правда не везде, а лишь там, где требуется плавное и точное регулирование скорости и вращающего момента электромотора в достаточно широких пределах.

Где же конкретно могут использоваться приводы постоянного тока? Для того, чтобы ответить на данный вопрос, нам надо вначале сказать несколько слов о принципе работы двигателя постоянного тока.

Вообще надо заметить, что электродвигатели — очень распространенный объект управления в различных устройствах и технических системах. Причем настолько, что без них вся наша современная жизнь очевидно вовсе не была бы такой уж и современной. Точнее мы бы так и не ушли далее технологий начала 19 века. И не имели бы не только компьютеров, с их гаджетами, но и вообще не знали бы, например, даже столь привычного нам электрического освещения, поскольку сами электрогенераторы – это, по сути, те же самые электродвигатели, но только преобразующие различные виды неэлектрической энергии (механическая, химическая или тепловая) в электрическую энергию.

Сами электродвигатели при этом, как известно, делятся на электродвигатели постоянного тока и электродвигатели переменного тока. Причем сегодня в силу бурного развития научно-технической мысли, которая предлагает более совершенные алгоритмы векторного управления и довольно дешевые и удобные в использовании частотники, именно последние приобретают все большую популярность в промышленности.

Однако, нельзя не сказать, что и двигатели постоянного тока рано еще списывать со счетов. Они имеют свои весьма важные и существенные преимущества. Дело в том, что один из «глобальных» минусов двигателя постоянного тока – это коллектор, его низкая механическая прочность, а также слабая механическая прочность щеток.

Но зато у двигателя постоянного тока можно менять скорости в достаточно широком диапазоне при относительном постоянстве момента на валу. При этом количество оборотов двигателя постоянного тока пропорционально величине напряжения, которое подается на якорную обмотку. А это значит, что в диапазоне скоростей от нуля до номинального значения электродвигатель может развивать полный крутящий момент. Именно поэтому двигатель постоянного тока широко используют в тех случаях, когда необходимо обеспечить большой момент при низких скоростях электродвигателя почти до его остановки при наличии полной нагрузки с последующим стартом. К таковым областям относятся электроприводы лифтов, кранов, ленточных конвейеров, смесителей, экструдеров и топу подобных механизмов.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Вообще надо заметить, что самой первой из всех изобретенных в XIX веке вращающихся электромашин был именно электродвигатель постоянного тока. Сам принцип действия его известен с середины прошлого столетия и основан на том, что крутящий момент здесь создаётся путём взаимодействия между двумя магнитными полями — полем обмотки возбуждения и полем, создающимся обмотками во вращающемся якоре.

Впрочем, в некоторых моделях двигателей постоянного тока нет обмотки возбуждения, вместо нее установлены постоянные магниты, сохраняющее стационарное магнитное поле при любых рабочих условиях.

Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что ток, проходя через якорь, создаёт магнитное поле, которое пытается выровняться со стационарным полем. Происходит вращение двигателя/

Рис. 1. Схема двигателя постоянного тока

При этом коллектор (так называется набор сегментированных медных планок), разрывает электрический контакт с уже «выровненной» обмоткой и возбуждает другую обмотку (или как в простом примере, показанном выше, перевозбуждает ту же цепь в противоположном направлении), создавая другое не выровненное магнитное поле, которое продолжает вращать якорь. Электрический контакт между вращающимися сегментами коллектора и стационарным источником питания в этом случае происходит через угольные щетки. Поскольку здесь постоянно имеет место механическое трение, то эти щетки изнашиваются через определенное время (как и сам коллектор) и соответственно требуют своей периодической замены.

Впрочем, следует заметить, что большинство промышленных электродвигателей постоянного тока изготавливаются с несколькими обмотками якоря, а не с одной, как показано на упрощенной иллюстрации сверху.

В электродвигателях постоянного тока проявляются следующие отношения между механическими и электрическими величинами:

  1. Крутящий момент. Он прямо пропорционален силе магнитного поля якоря, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна току, проходящему через обмотки якоря. Так же момент прямо пропорционален силе постоянного магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально току, проходящему через возбуждающую обмотку (в двигателе без магнитов).
  2. Скорость. Скорость ограничена ЭДС, генерируемой якорем при вращении в постоянном магнитном поле. Эта ЭДС прямо пропорциональна скорости вращения якоря, и также прямо пропорциональна силе постоянного магнитного поля (которая прямо пропорциональна току возбуждающей обмотки в электродвигателе без магнитов). Это значит, что скорость прямо пропорциональна напряжению якоря, а также обратно пропорциональна силе постоянного магнитного поля, которая прямо пропорциональна току, проходящему через возбуждающие обмотки (в двигателе без магнитов).

Управление двигателем постоянного тока

Последнее же означает, что, меняя тока обмотки, можно изменять соотношение между скоростью и моментом. Однако этого недостаточно для управления общей мощностью двигателя. Чтобы управлять выходной мощностью электродвигателя постоянного тока также необходимо управлять напряжением и током якоря. Для этой цели можно было бы использовать переменные резисторы, но этот метод не используется в настоящее время, так как приводит к потере мощности. Лучшим решением здесь будет применение электронной схемы регулирования мощности на транзисторных ключах быстро отключающих и включающих якорь двигателя в цепь. Такой тип управления называется широтно-импульсной модуляцией, или ШИМ.

Рис.2. Схема управления скоростью и моментом ДПТ

По традиционной технологии для импульсного питания двигателя постоянного тока используют схему управляемого выпрямителя, в котором для преобразования переменного тока в постоянный вместо обычных выпрямляющих диодов используют тиристоры (управляемая схема Ларионова). Основным источником питания промышленных двигателей постоянного тока остается переменный ток, и этот переменный ток должен быть преобразован в постоянный в некотором узле системы; управление имеет смысл интегрировать прямо в этот выпрямительный узел.

Рис.3. Схема управляемого выпрямителя

Схема управляемого выпрямителя работает по принципу изменения времени «пускового» импульса относительно импульсов колебаний переменного тока. Чем раньше в каждом периоде переменного тока откроется тиристор, тем дольше он будет пропускать ток к двигателю. Схема фазового управления отвечает за генерацию импульсов и их длительность.

Отсюда следует, что привод постоянного тока просто регулирующий подводимую мощность к двигателю был бы трудно регулируемым и не применим в большинстве задач. Для управления двигателем необходимо управлять скоростью. Поэтому на двигателях постоянного тока устанавливают тахогенераторы, механически соединённые с валом двигателя.

Тахогенератор представляет собой небольшой генератор, создающий постоянное напряжение, прямо пропорциональное скорости вращения вала, обычно с выходом 0-10В постоянного тока, реже 0-220В переменного тока. По его показаниям регулируемый привод постоянного тока регулирует электрическую мощность, подводимую к двигателю так, чтобы скорость вращения совпала с заданной управляющим сигналом. Имея датчик обратной связи для регулирования скорости, привод постоянного тока точно регулирует скорость вращения двигателем.

Рис. 4. Схема управления двигателем постоянного тока

Менять ли привод постоянного тока?

Следует заметить, что в силу длительного периода широкого применения двигателей постоянного тока, на протяжении довольно долгого времени для регулировки скорости вала двигателя использовались приводы постоянного тока. Тем самым, данные приводы имели широкое распространение и были установлены на огромном количестве различных машин, механизмов и оборудовании. Но вот в чем проблема – дело в том, что раньше приводы постоянного тока выпускались с управлением на аналоговых микросхемах. А это вело к длительной настройке оборудования, необходимости постоянного обслуживания привода и частой его перенастройки. В результате против двигателей постоянного тока и соответственно приводов постоянного тока сложилось предубеждение о ненужности и даже вредности установки таких систем. Повсеместно обозначилась тенденция к замене «постоянников» на «переменники». И где-то это и правда оказалось оправдано, но…

Увы, но часто «дьявол кроется в деталях»!

Следует заметить, что сейчас приводы постоянного тока выпускаются с фазными схемами управления, основанными на современных микропроцессорах. А это значит, что они стали значительно более надежны и, ГЛАВНОЕ, не нуждаются в необходимости постоянного обслуживания привода и частой перенастройки приводов. А поскольку вопреки публикациям в СМИ и доводам производителей приводов переменного тока, существует еще немало таких применений, где приводы постоянного тока являются предпочтительными по своему функционалу (а в конечном счете и по деньгам), то возможно при модернизации оборудования следует обратить внимание на приводы постоянного тока.

Более того, сегодня необходимо учитывать, что очень часто, при модернизации систем управления, простая замена устаревших приводов постоянного тока новыми современными приводами постоянного тока, является экономически более выгодной!

Подумайте! Возможно это Ваш случай? Причем в данном случае имеет смысл обратить именно на лидеров по производству приводов постоянного тока, одним из которых является фирма Siemens, выпускающая приводы постоянного тока серии SINAMICS DCM — современный мощный привод постоянного тока со многими дополнительными модулями расширения, интеграции в промышленные сети и встроенными функциями для решения типовых технологических задач (намотка-размотка и т. д.).

Источник