אוטומציה תעשייתית ידע מוטורי פריימר

מנוע חשמלי מורכב מרוטור המוצב בתוך שדה מגנטי מסתובב. בהשפעת השדה המגנטי המסתובב הזה, הרוטור רוכש מומנט סיבובי, הגורם לו להסתובב. מנועים אסינכרוניים פועלים על פני טווח הספקים רחב, מכמה וואטים ועד עשרות אלפי קילוואט, ומספקים כוח לציוד מכאני ומכשירי חשמל ביתיים שונים.
מנוע חשמלי (נקרא בדרך כלל "מנוע") הוא מכשיר אלקטרומגנטי הממיר או מעביר אנרגיה חשמלית על בסיס עקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית. תפקידו העיקרי הוא לייצר מומנט הנעה, המשמש כמקור כוח למכשירי חשמל או לציוד מכני שונים.
תפקידו העיקרי של גנרטור הוא להמיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית.

 

 

מנוע חשמלי מורכב בעיקר מפיתול אלקטרומגנט או מפיתולי סטטור מבוזרים ליצירת שדה מגנטי, אבזור מסתובב או רוטור, ואביזרים אחרים. בהשפעת השדה המגנטי המסתובב המופק על ידי פיתולי הסטטור, זרם זורם דרך מסגרת האלומיניום-של הכלוב הסנאי. זרם זה יוצר אינטראקציה עם השדה המגנטי, וגורם לאבזור להסתובב.

 

 

 

 

סטטור (חלק נייח) ליבת סטטור: מרכיב במעגל המגנטי של המנוע, עליו מותקנות פיתולי הסטטור; פיתולי סטטור: המעגל החשמלי של המנוע, שדרכו זורם זרם חילופין תלת-פאזי ליצירת שדה מגנטי מסתובב; מסגרת: מאבטחת את ליבת הסטטור ומכסי הקצה הקדמי/אחורי כדי לתמוך ברוטור, תוך מתן הגנה, פיזור חום ופונקציות אחרות;

 

רוטור (חלק מסתובב)
ליבת רוטור: משמשת כחלק מהמעגל המגנטי של המנוע ומכילה את פיתולי הרוטור בתוך החריצים שלו;
פיתולי רוטור: חותכים את השדה המגנטי המסתובב של הסטטור כדי ליצור כוח וזרם אלקטרו-מוטורי מושרה, תוך הפקת מומנט אלקטרומגנטי המניע את סיבוב המנוע;

【אנימציה של עקרונות מוטוריים】
מנוע מגנט קבוע ▼

מנוע DC ▼

מנוע קוונטי מגנטי ▼

מנוע אינדוקציה חד-פאזי ▼

עקרון העבודה של מנועי צעד ▼

מנוע איזון ▼

העיקרון של יצירת זרם חשמלי ▼

סטטור תלת-פאזי ▼

מנוע חשמלי קטן ▼

מוטורי-חתך ▼

מנוע חשמלי ▼

מנועי DC▼

הבדלים בין תיקון מנועים בתדר משתנה לבין מנועים קונבנציונליים

שיטות התיקון של מנועים בתדר משתנה זהות ביסודו לאלו של מנועים רגילים. עם זאת, בשל המאפיינים הייחודיים של ספקי כוח בתדר משתנה, דרישות הבידוד עבור פיתולי מנוע בתדר משתנה מחמירות יותר מאשר עבור מנועים רגילים. יש לנקוט באמצעים הבאים כדי לשפר את תנאי הבידוד:

1. בחר חוט אלקטרומגנטי בעל עמידות קורונה מעולה כדי לעמוד בדרישות המנוע לעמידה בפולסים-תדרים גבוהים ופריקה חלקית.

בדרך כלל, נעשה שימוש בחוט אלקטרומגנטי עמיד לקורונה- או חוט אלקטרומגנטי עמיד.

2. טכניקות בניית פיתול והכנסת חריצים.

ניהול קפדני הוא חיוני במהלך תהליכי סלילה, הכנסת חריצים וקשירה עבור מנועים בתדר משתנה. יש להקדיש תשומת לב מיוחדת למניעת נזק למוליך במהלך סלילה והכנסת חריץ. הכנסת חריץ חייבת להבטיח מיקום נכון של בידוד חריץ, בידוד פאזה ובידוד שכבה-ל-שכבה. בידוד שלב צריך להשתמש בחומרים חדורים בקלות על ידי לכה בידודית. קצוות סליל חייבים להיות מחוזקים עם כריכה ואבטחה כדי להבטיח שהם יוצרים יחידה אינטגרלית.

חיזוק בידוד בתחתית חריץ המנוע, בין שלבים, בין שכבות, ובסיבובי התחלה/סיום של סליל משפר את החוזק הדיאלקטרי של המנוע.

3. בידוד ראשי חייב להשתמש בבידוד חסר-מרווחים.

פערי אוויר בתוך מבנה הבידוד של מנועים בתדר משתנה הם הגורם העיקרי לפריקת קורונה. כדי להבטיח היעדר פערי אוויר במבנה הבידוד הכולל, לפי התקן הלאומי GB/TZ1707-2008 "מפרטי בידוד למנועים אסינכרוניים תלת-למנועים אסינכרוניים תלת-לבקרת מהירות בתדר משתנה", לכה ההספגה המשמשת לא תהיה נמוכה מ-F{{4}לכה מתחת לרמת ממס V{{4}, ללא חומרי ממס, PI יש להפעיל תהליך. תהליך זה גם משפר את החוזק המכני הכולל של מבנה הבידוד.

4. הקפידו על התאמה נכונה בין המהפך, הכבלים והמנוע, והגבילו את אורך הכבלים בין המנוע למקור הכוח.

עקב אי התאמה של עכבה בקווי מתח, משרעת מתח היתר בקצה המנוע גדלה עם אורך הכבלים בין המהפך למנוע, מה שעלול לגרום בקלות לפריקה חלקית. לכן, בהתבסס על המאפיינים הספציפיים של אספקת החשמל בתדר משתנה והדרישות בפועל, יש למזער את אורך הכבל המחבר ככל האפשר כדי להפחית את משרעת מתח היתר בקצה המנוע ואת כמות הפריקה החלקית, ובכך להאריך את חיי השירות של המנוע. כבלי חשמל למנועי תדר משתנה משתמשים בדרך כלל בכבלים מיוחדים, הידועים גם ככבלים בתדר משתנה של מוליכים סימטריים, שהם מסדרת 3P+3N/E. המשמעות היא שהתצורה המקורית של 3+1 מפצלת את המוליך הנייטרלי הבודד לשלושה מוליכים נפרדים.

מנוע צעד

 

איור 1.1 ממחיש את עיקרון הפעולה של מנוע צעד דו-פאזי, הכולל שתי פיתולים. כאשר פיתול אחד מופעל, קוטב הסטטור שלו יוצר שדה מגנטי המושך את הרוטור להתיישר עם הקוטב הזה. אם הפיתולים מופעלים ברצף תחת פעימות בקרה-במחזוריות דרך המצבים A`A→B`B→`AA→`BB-המנוע מסתובב בכיוון השעון. כאשר מופעל ברצף A`A→`BB→`AA→B`B, המנוע מסתובב נגד כיוון השעון. כל פעימת בקרה משנה את כיוון האנרגיה, וגורמת למנוע לנוע צעד אחד (90 מעלות). ארבעה פולסים משלימים סיבוב אחד מלא. תדר דופק גבוה יותר מביא לסיבוב מהיר יותר של המנוע.
מומנט המוצא של מנוע צעד הוא פרופורציונלי לנפח האפקטיבי של המנוע, סיבובי הסליל, השטף המגנטי והזרם. לכן, נפח אפקטיבי גדול יותר, יותר סיבובי סליל ומרווח אוויר קטן יותר בין הסטטור לרוטור מביאים למומנט גדול יותר, ולהיפך.

איור. 1 תרשים סכמטי של מנוע צעד דו--

איור. 2 תרשים מבנה מנגנון מנוע צעד

המבנה של מנוע צעד מורכב מרוטור (ליבת רוטור, מגנט קבוע, ציר, מיסבים כדוריים), סטטור (פיתולים, ליבת סטטור), ומכסי קצה קדמיים ואחוריים. מנוע הצעד ההיברידי הדו-פאזי האופייני ביותר כולל סטטור עם 8 שיניים גדולות ו-40 שיניים קטנות, בעוד שלרוטור יש 50 שיניים קטנות. לסטטור של מנוע תלת- יש 9 שיניים גדולות ו-45 שיניים קטנות, כאשר הרוטור מכיל גם 50 שיניים קטנות.

ספירת הפאזות של מנוע צעד מתייחסת למספר קבוצות הסלילים בתוך המנוע. הסוגים הנפוצים כוללים מנועי צעד דו-, תלת-פאזיים, ארבעה-פאזיים וחמישה-פאזיים. ספירות פאזות שונות גורמות לזוויות צעדים שונות: בדרך כלל, למנועי דו-שלבים יש זוויות צעד של 0.9 מעלות /1.8 מעלות, למנועי תלת- יש 0.75 מעלות /1.5 מעלות, ולמנועי חמישה-פאזים יש 0.36 מעלות /0.72 מעלות. ללא דרייבר של microstepping, המשתמשים בוחרים בעיקר במנועי צעד עם ספירות פאזה שונות כדי לעמוד במפרטי זווית הצעד הנדרשים שלהם. בעת שימוש בדרייבר של microstepping, 'ספירת השלבים' הופכת ללא רלוונטית; משתמשים יכולים פשוט להתאים את רזולוציית המיקרו-סטפ בדריבר כדי לשנות את זווית הצעד.

בין אם זה מנוע צעדים דו-4-תיל, ארבעה-פאזי חמישה-תילים או ארבעה-פאזי שישה-חוטים, המבנה הפנימי נשאר עקבי. ההבחנה בין תצורות ארבע-חוטים, חמישה-חוטים או שישה-תילים תלויה אם זוגות A ו-~A, או זוגות B ו-B~ חולקים חיבור מסוף משותף (COM). אם לקבוצות A ו-B יש מסופי COM ייעודיים משלהן, המנוע הוא שישה-תילים. אם המסופים המשותפים ל-A ו-B מחוברים זה לזה, זה חמישה-תילים.

לכן, כדי לקבוע את תצורת החיווט של מנוע צעד, פשוט הפרד את קבוצות A ו-B ובדוק אותם עם מולטימטר.

ארבעה-תילים:מכיוון שאין חוט משותף (COM) בתצורת ארבעה-תילים, קבוצות A ו-B מבודדות לחלוטין ואינן-מוליכות זו לזו. לפיכך, כאשר נבדק עם מולטימטר, קבוצה אחת לא תראה המשכיות.

חמישה-חוטים:בתצורת חמישה-חוטים, המסופים המשותפים של קבוצות A ו-B מחוברים זה לזה. בעת בדיקה עם מולטימטר, אם חוט אחד מראה ערך התנגדות דומה לחוטים האחרים, החוט הזה הוא המסוף המשותף. להנעת מנוע צעד עם חמישה-חוטים, ניתן להשאיר את המסוף המשותף לא מחובר והמנוע ימשיך לפעול.

שישה-חוטים:הטרמינלים המשותפים של קבוצות A ו-B אינם מחוברים. באופן דומה, שימוש במולטימטר למדידת התנגדות, אם חוט אחד מראה התנגדות זהה לשני החוטים האחרים, החוט הזה הוא מסוף ה-com, ושני החוטים האחרים יוצרים קבוצה. להנעת מנוע צעדי ארבע-שש-חוטים, ניתן להניע את המנוע גם ללא חיבור שני מסופי התקשורת הנפוצים.

מושגים הקשורים למנוע צעד:

מספר שלבים: מספר זוגות סליל עירור המייצרים זוגות שונים של קטבים מגנטיים N ו-S. מסומן בדרך כלל על ידי מ.

ספירת דופק:מספר הפולסים או המצבים המוליכים הנדרשים להשלמת מחזור שדה מגנטי אחד, מסומן ב-n. לחלופין, זה מתייחס למספר הפולסים הדרושים למנוע לסובב זווית גובה אחת. לדוגמה, במנוע ארבעה-פאזיים:

זווית צעד:התזוזה הזוויתית של רוטור המנוע התואמת לאות דופק אחד, מסומנת ב-θ. θ=360 מעלות / (שיניים רוטור J × מספר פעימות הפעלה). עבור מנועים דו-- או ארבעה--פאזיים רגילים עם 50 שיניים רוטור: בפעולת ארבעה--שלבים, זווית הצעד היא θ=360 מעלות /(50*4)=1.8 מעלות (נקרא בדרך כלל צעד מלא). בפעולת שמונה-שלבים, זווית הצעד היא θ=360 מעלות /(50*8)=0.9 מעלות (נקרא בדרך כלל חצי צעד).

מומנט החזקה:מומנט הנעילה המובנה של רוטור המנוע כשהוא מובטל-(נגרם על ידי הרמוניות של פרופיל שן של שדה מגנטי ושגיאות מכניות).

מומנט סטטי:מומנט הנעילה על פיר המנוע כאשר המנוע נמצא בכוח חשמלי סטטי מדורג אך אינו מסתובב. מומנט זה משמש כתקן להערכת גודל המנוע (מידות גיאומטריות) ואינו תלוי במתח ההנעה או באספקת החשמל.

כונן מנוע צעד:נהיגה במנוע צעד כרוכה בעצם בהפעלת פולסים רציפים לקבוצות A ו-B של המנוע, המאפשרות את פעולתו של המנוע.

פספס שלב:מספר הצעדים בפועל שננקטו במהלך פעולת המנוע אינו תואם את ספירת הצעדים התיאורטית.

דוּגמָה:הבדלים בין מנועי צעד דו--לחמישה-

מנועי צעד מסווגים בעיקר לפי מספר השלבים, כאשר מנועי צעד דו-וחמישה-פאזיים הם הפופולריים ביותר בשוק הנוכחי. ניתן לחלק את רוב מנועי הצעד הדו--פאזיים למקסימום של 400 צעדים שווים לכל סיבוב, בעוד שמנועי חמישה-פאזיים ניתנים לחלוקה ל-1000 שלבים שווים. כתוצאה מכך, מנועי צעד של חמישה-פאזיים מציגים מאפייני ביצועים מעולים, זמני האצה/האטה קצרים יותר ואינרציה דינמית נמוכה יותר.

השוואה של הבדלים בין מנועי צעד דו--לחמישה-שלבים:

1. הבדלים בדיוק הבקרה

למנועי צעד היברידיים דו-פאזיים בדרך כלל יש זוויות צעד של 3.6 מעלות או 1.8 מעלות, בעוד למנועי צעד היברידיים של חמישה-פאזיים יש בדרך כלל זוויות צעד של 0.72 מעלות או 0.36 מעלות. כמה מנועי צעד בעלי ביצועים גבוהים- מציעים זוויות צעדים קטנות אפילו יותר. לדוגמה, מנוע צעד המיוצר על ידי חברת Sitong עבור מכונות חיתוך איטיות- הוא בעל זווית צעד של 0.09 מעלות. את מנועי הצעד ההיברידיים של שלושת-השלבים המיוצרים על ידי ברגר לאהר הגרמנית ניתן להגדיר את זוויות הצעד שלהם באמצעות מתגי DIP ל-1.8 מעלות, 0.9 מעלות, 0.72 מעלות, 0.36 מעלות, 0.18 מעלות, 0.09 מעלות, 0.072 מעלות, או 6 מעלות התאמה לשניהם. היברידית דו-פאזית וחמישה-פאזית מנוע צעד זוויות צעד.

דיוק הבקרה של מנועי סרוו AC מובטח על ידי מקודדים סיבוביים. אם ניקח לדוגמא את מנועי הסרוו AC דיגיטליים מלאים של Panasonic, עבור מנועים המצוידים במקודדים סטנדרטיים של 2500 קווים, המקבילה לפולס היא 360 מעלות/10000=0.036 מעלות בשל טכנולוגיית המרת התדרים הנבועים המיושמת פנימית במנהל ההתקן. עבור מנועים המצוידים במקודד 17 סיביות, הכונן מקבל 2¹⁷=131,072 פולסים לכל סיבוב, וכתוצאה מכך רזולוציית פולסים של 360 מעלות / 131,072 פולסים=0.002746 מעלות לכל פולס.

2. מאפייני תדר-נמוכים שונים

מנועי צעד נוטים לרטט-תדר נמוך במהירויות איטיות. תדירות הרטט תלויה בתנאי העומס ובביצועי הנהג, הנחשבים בדרך כלל כמחצית מתדירות ההתנעה ללא עומס של המנוע. רטט- נמוך זה, הטבוע בעקרון הפעולה של מנועי צעד, מזיק מאוד לפעולת המכונה הרגילה. כאשר מנועי צעד פועלים במהירויות נמוכות, יש להשתמש בטכניקות שיכוך כדי להפחית רטט- בתדר נמוך, כגון הוספת בולמים למנוע או שימוש בטכנולוגיית microstepping בדרייבר.

מנועי סרוו AC פועלים בצורה חלקה במיוחד, ללא רטט אפילו במהירויות נמוכות. מערכות סרוו AC משלבות יכולות דיכוי תהודה כדי לפצות על חוסר קשיחות מכאנית. בנוסף, פונקציית ניתוח התדרים הפנימית של המערכת (FFT) מזהה נקודות תהודה מכניות, מה שמקל על כוונון המערכת.

3. מאפייני תדר- שונים

מנועי צעד מציגים מומנט פלט פוחת עם המהירות הגוברת, וחווים ירידה חדה במהירויות גבוהות יותר. כתוצאה מכך, מהירות הפעולה המרבית שלהם מוגבלת בדרך כלל ל-300-600 סל"ד. מנועי סרוו AC מספקים תפוקת מומנט קבועה, ושומרים על מומנט מדורג בטווח המהירות הנקוב שלהם (בדרך כלל 2000 או 3000 סל"ד). מעל המהירות המדורגת, הם עוברים לתפוקת כוח קבועה.

4. יכולות עומס יתר שונות

מנועי צעד בדרך כלל חסרים יכולת עומס יתר. למנועי סרוו AC יש יכולת עומס יתר חזקה. אם לוקחים את מערכת הסרוו AC Panasonic כדוגמה, היא כוללת גם עומס מהירות וגם יכולת עומס מומנט. המומנט המרבי שלו מגיע פי שלושה מהמומנט הנקוב, מה שמאפשר לו להתגבר על מומנט האינרציה של עומסי האינרציה במהלך ההפעלה. מנועי צעד חסרים יכולת עומס יתר זו. כדי להתגבר על מומנט אינרציאלי במהלך האתחול, מנועי מומנט גדולים יותר נבחרים לעתים קרובות במהלך המפרט. עם זאת, מומנט גבוה כל כך מיותר במהלך פעולה רגילה, וכתוצאה מכך מומנט מבוזבז.

5. ביצועים תפעוליים שונים

מנועי צעד משתמשים בבקרת-לולאה פתוחה. תדרי התנעה גבוהים מדי או עומסים מוגזמים עלולים לגרום לאובדן צעדים או לעצירה. מהירויות גבוהות מדי במהלך עצירה עלולות להוביל לחריגה. לכן, כדי להבטיח דיוק בקרה, האצה והאטה חייבים להיות מנוהלים כראוי. מערכות כונן סרוו AC משתמשות בבקרת לולאה סגורה-. הנהג דוגם ישירות אותות משוב מהמקודד המנוע, ויוצר לולאות מיקום ומהירות פנימיות. תכנון זה מונע בדרך כלל את הבעיות של אובדן צעד או חריגה הנפוצות במנועי צעד, ומספק ביצועי בקרה אמינים יותר.

6. ביצועי תגובה שונים במהירות

מנוע צעד דורש 200-400 מילישניות כדי להאיץ ממנוחה למהירות פעולה (בדרך כלל כמה מאות סל"ד). מערכות סרוו AC מציגות ביצועי תאוצה מעולים. לדוגמה, מנוע הסרוו של Panasonic MSMA 400W AC מאיץ ממנוחה למהירות הנקובת שלו של 3000 סל"ד תוך אלפיות שנייה בלבד, מה שהופך אותו למתאים ליישומים הדורשים בקרת התנעה- מהירה.

לסיכום, מערכות סרוו AC עולות על מנועי צעד בהיבטי ביצועים רבים. עם זאת, מנועי צעד עדיין משמשים בדרך כלל כמפעילים ביישומים פחות תובעניים. לכן, במהלך תכנון מערכת הבקרה, יש להעריך באופן מקיף גורמים כמו דרישות בקרה ועלות כדי לבחור את המנוע המתאים.