Электропривод — это устройство или группа устройств, которая служит для регулирования поведением электродвигателя по некоторому заранее разработанному сценарию [1]. Электропривод может включать следующие элементы: ручные или автоматические средства для запуска и остановки двигателя, выбор направления вращения, выбор и регулирование скорости, регулирование или ограничение крутящего момента, а также защита от перегрузок [2].

Применение

Каждый электродвигатель должен иметь какое-нибудь управляющее устройство (контроллер). Контроллер двигателя может иметь различные особенности и сложность в зависимости от задачи, которую будет выполнять двигатель.

Простейший случай — это коммутатор, позволяющий подключить двигатель к источнику питания, например, в небольших бытовых приборах и электроинструментах. Переключатель может быть ручным или может быть релейным или контакторным способом подключен к той или иной форме датчика для автоматического запуска и остановки двигателя. Переключатель может иметь несколько позиций, чтобы выбрать различные соединения для двигателя. Это даёт возможность осуществлять пуск двигателя с ограниченным напряжением, отмену управления или выбор нескольких скоростей. Защита от перегрузки и токовая защита в очень маленьких контроллерах двигателя, которые полагаются на поддержку максимальной токовой защиты самой цепью, может быть опущена. Малые двигатели могут иметь встроенные устройства для перегрузки, чтобы автоматически открывать схему при перегрузках. Большие двигатели имеют защитное реле перегрузки или температурные датчики реле включенные в контроллер и плавкие предохранители или автоматические выключатели для максимальной токовой защиты. Автоматический регулятор двигателя может также включать концевые выключатели и другие устройства для защиты ведомой машины.

Более сложные контроллеры могут быть использованы для точного контроля скорости и крутящего момента в подсоединённых двигателях (или электродвигателях), и могут быть частью замкнутой системы управления с обратной связью для точного позиционирования ведомой машины. Например, численно контролируемый станок режущего инструмента будет точно позиционируемым в соответствии с запрограммированным профилем и будет компенсировать различные нагрузки условий и возбуждающих сил, чтобы сохранить позиции инструмента.

Типы управляющих устройств двигателя

Контроллеры двигателя могут быть ручными, дистанционно или автоматически управляемыми. Они могут включать лишь средства для запуска и остановки двигателя, либо ещё и другие функции. [2][3][4]

Электрические контроллеры двигателя могут быть классифицированы по типу двигателя: постоянный магнит, серворуль, последовательный, с независимым возбуждением и переменного тока

Контроллер подключен к источнику питания (аккумулятор или блок питания), и он контролирует схемы с помощью аналоговых или цифровых входных сигналов.

Пускатели

Маленький двигатель может быть запущен простым подключением его к электрической сети или с помощью выключателя/выключателя. Двигатель больших размеров требует специализированных блоков коммутации, которые называются пускатели или контакторы двигателя. При включении питания, стартер «непосредственно на линии» сразу подсоединяет клеммы двигателя к источнику питания. Пускатели плавного пуска соединяют двигатель с источником питания с помощью устройства снижения напряжения и увеличения напряжения постепенно или поэтапно. [2][3][4]

Привод с регулируемой скоростью

Привод с регулируемой или переменной скоростью представляет собой сочетание взаимосвязанного оборудования, которое предоставляет средства для управления и корректировки скоростью работы механической нагрузки. Электрический привод с регулируемой скоростью состоит из электродвигателя и контроллера скорости, а также силовых преобразовательных вспомогательных устройств и оборудования. В общем случае, термин "привод" часто применяется в смысле контроллера. [3][4]

Центры управления двигателями

Центр управления электродвигателями (ЦУЭ) – это сборка одной или более защищённых секций, имеющих общую шину питания и прежде всего содержащих модули управления двигателем [1]. Центры управления двигателями в современной заводской практике являются сборкой нескольких пусковых устройств. Центр управления двигателем может включать в себя приводы с регулируемой частотой, программируемые контроллеры, и измерители, а также может быть электрический служебный вход здания. Центры управления двигателями, как правило, используются для двигателей низкого напряжения трехфазного переменного тока с напряжением от 230 вольт до 600 вольт. Центры управления электродвигателями среднего напряжения предназначены для больших двигателей, работающих на напряжении от 2300 В до 15000 В. Они используют при этом вакуумные контакторы для коммутации и с отдельными отсеками для включения питания и управления [5].

Центры управления двигателями начали использоваться с 1950 года в отрасли автомобилестроения, которая использовала большое количество электродвигателей. Сегодня они используются во многих промышленных и коммерческих прикладных задачах. Там где проистекают очень пыльные или коррозионные процессы, центр управления двигателем может быть установлен в отдельной комнате с кондиционером, но часто ЦУЭ находится на заводе рядом с контролируемым механизмом.

Центр управления двигателем состоит из одной или нескольких вертикальных металлических секций с шиной питания и обеспечен сменным блоком для монтажа отдельных контроллеров двигателя. Очень большие контроллеры могут быть закреплены на месте, но меньшие контроллеры могут быть отключены от кабинета для проверки или обслуживания. Каждый контроллер двигателя содержит контактор или транзисторный контроллер, реле перегрузки для защиты двигателей, предохранители или выключатель, чтобы обеспечить защиту от короткого замыкания и выключатель для изоляции двигателя цепи. Трехфазный ток входит в каждый контроллер через отдельные разъемы. Двигатель соединен с терминалом в контроллере. Центры управления двигателями обеспечивают проводные пути для контроля на местах и силовые кабеля.

Каждый привод в ЦУЭ может иметь целый ряд опций, таких как отдельный трансформатор управления, управляющие лампы, выключатели управления, дополнительные блоки управления терминалом, различные виды биметаллических и полупроводниковых реле защиты от перегрузки, или различные классы предохранителей мощности или типы выключателей. Центр управления двигателем может поставляться в готовом для клиента виде, требующем только подключения всех проводов, или может быть спроектирована сборка системы с внутренним управлением и блокировкой проводки к центральному пульту управления терминалом панели, или программируемый контроллер.

Центры управления двигателем обычно стоят на полу, которые часто должны иметь рейтинг огнестойкости. Для кабелей, которые проникают в противопожарные полы и стены, может потребоваться огнестойкая изоляция.

Контроллеры скорости для индуктивных двигателей переменного тока

Последние разработки в управляющей электронике позволили эффективно и удобно управлять скоростью этих моторов, где этого традиционно не было. Новейшие достижения позволяют снизить крутящий момент вплоть до нулевой скорости. Это позволяет многофазным асинхронным индуктивным двигателям переменного тока конкурировать в тех областях, где двигатели постоянного тока уже давно доминируют, и представляет собой преимущество в надежности конструкции, стоимости и сокращает расходы на содержание [4].

Фазовые векторные приводы (или просто векторные приводы) являются улучшением по сравнению с приводами с переменной частотой, потому что они разделяют расчеты импульсного тока и вращающего момента тока. Эти величины представлены с помощью фазовых векторов, и объединяются для получения управляющего фазового вектора, который, в свою очередь, разлагается на управляющие компоненты выходного каскада. Эти расчеты требуют быстрых микропроцессоров, как правило, устройства цифровой обработки сигналов.

В отличие от привода переменной частоты, векторный привод – это замкнутая циклическая система. Он принимает отзывы о положении ротора и фазе токов. Позиция ротора может быть получена с помощью кодировщика, но часто она измеряется с помощью обратной ЭДС, которая формируется на двигателе.

В некоторых конфигурациях векторный привод может быть способен генерировать полный номинальный крутящий момент двигателя при нулевой скорости.

Управляющие приводы прямого крутящего момента

Привод прямого момента имеет лучшую динамику контроля крутящего момента, чем PI-регулятор тока, основанный на векторном управлении. Таким образом, он лучше подходит для управления серво приложений. Тем не менее, он имеет некоторые преимущества по сравнению с другими методами контроля, поскольку из-за быстрого контроля он имеет более широкие возможности для гашения механических резонансов и тем самым продлевает срок службы механической системы.

Щёточный регулятор скорости или момента постоянного тока

Эти элементы управления применимы к щеточным двигателям постоянного тока со статором с переменным или постоянным магнитом. Ценной характеристикой этих двигателей является то, что они легко контролируются в момент, крутящий момент прямо пропорционален току нагрузки. Регулирование скорости происходит с помощью просто модуляции момента двигателя.

Диодный или тиристорный привод

Диодные управляющие устройства для двигателей постоянного тока преобразовывают переменный ток в постоянный ток с регулируемым напряжением. Малые приводы постоянного тока широко распространены в промышленности, и работают от линии напряжения, с мощностью двигателя 90В на линии 120В, и 180 В для линии 240В. Большие приводы, до тысячи лошадиных сил, работают от трёхфазной линии, и используются в таких областях, как прокатный стан, бумагоделательная машина, экскаватор, и судно в движении. Приводы постоянного тока доступны в реверсивной и нереверсивной модели. Осциллограммы тока через двигатель (с однофазным приводом) будет иметь сильную рябь из-за переключения на линии частоты. Это может быть уменьшено путём использования многофазного питания или сглаживающих дросселей в цепи двигателя, в противном случае рябь токов провоцирует нагревание двигателя, лишний шум и потерю крутящего момента двигателя.

ШИМ или прерывательный привод

ШИМ привод использует широтно-импульсную модуляцию для регулирования текущей посылкой к двигателю. В отличие от диодного приводы, который меняет на линии частоты, ШИМ привод производит плавный ток при более высоких частотах переключения, как правило, от 1 до 20 кГц. На 20 кГц, частота переключения не слышна человеком, тем самым устраняется шум при переключении на более низкую частоту. Однако, некоторые контроллеры для радиоуправляемых моделей двигателей используют двигатель для производства звука, чаще всего это простой сигнал.

ШИМ привод, как правило, содержит большое количество конденсаторов и H-мостов, расположенных в коммутационных элементах (тиристоры, транзисторы, полупроводниковые реле или транзисторы).

Сервоприводы

Сервоприводы — это широкая категория контроллеров для двигателей. Их общие характеристики:

• точный контроль закрытых позиций цикла;
• точное управление скоростью;
• точное управление скоростью.

Серводвигатели могут быть изготовлены для нескольких типов двигателя, наиболее распространенными из которых являются:

• щёточный двигатель постоянного тока;
• бесщёточный двигатель постоянного тока;
• серво электродвигатели переменного тока.

Сервоприводы используют обратную связь, чтобы закрыть контур управления. Это обычно осуществляется с помощью кодера, решающего устройства и датчиков эффекта Холла, чтобы непосредственно измерить положение ротора. Иначе измеряется ЭДС в управляемых катушках, чтобы сделать вывод о положении ротора, и поэтому их часто называют приводами "без датчиков".

Сервопривод может управлять с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Как долго пульс остается высоким (обычно от 1 до 2 мс) определяет, где двигатель будет пытаться позиционировать себя. Другой метод контроля – это импульс и направление.

Шаговые приводы двигателя

Шаговый или шагающий двигатель синхронный, бесщёточный, имеет большое количество полюсов, многофазный. Контроль, как правило, но не всегда, осуществляется с помощью открытого контура. В связи с этим, точное позиционирование с шаговым проще и дешевле, чем с приводом закрытого цикла.

Соответствующие схемы для управления двигателем

H-мост

Двигатели постоянного тока, как правило, контролируется с помощью транзисторной конфигурации называемой "H-мост". Она состоит как минимум из четырех механических или твердотельных выключателей, таких как 2 NPN и 2 PNP транзисторы. Один NPN и PNP транзистор активируются одновременно. Оба NPN или PNP транзистора могут быть активированы, что может привести к короткому замыканию через клеммы, что может быть полезно для замедления двигателя от ЭДС.

Литература

1. National Fire Protection Association (2008). "Article 100 Definitions". NFPA 70 National Electrical Code. 1 Batterymarch Park, Quincy, MA 02169: NFPA. pp. 24. Retrieved January 2008.
2. Siskind, Charles S. (1963). Electrical Control Systems in Industry. New York: McGraw-Hill, Inc.. ISBN 0070577463.
3. National Fire Protection Association (2008). "Article 430 Motors, Motor Circuits and Controllers". NFPA 70 National Electrical Code. 1 Batterymarch Park, Quincy, MA 02169: NFPA. pp. 298. Retrieved January 2008.
4. Campbell, Sylvester J. (1987). Solid-State AC Motor Controls. New York: Marcel Dekker, Inc.. ISBN 0-8247-7728-X.
5. Robert W. Smeaton (ed) Switchgear and Control Handbook 3rd Ed., Mc Graw Hill, New York 1997 ISBN 0-07-058451-6, chapter 26.