Masini sincrone speciale [609877]

Masini sincrone speciale
Motoare
pas cu pas

Definiții
– realizeaz ă conversia impulsurilor de comand ă
într-o mișcare de rota ție ce
constă din deplas ări unghiulare discrete, de m ărime egal ă cu pasul
θp
al
motorului
Principalele aplicații
sunt în domeniile:
♦-m așini unelte cu comand ă numeric ă,
♦-
echipamente
periferice de calcul,
♦- tehnică cinematografic ă și de televiziune,
♦-r o b oți industriali,
♦-
dozatoare
și cântare automate,
♦-
ceasuri electronice.Deplasarea prin salturi a câmpului
Mișcarea
discretă
a rotoruluimașini pas cu pasMașină cu reluctan ță variabilăConvertor electromecanic
ce funcționează pe principiul reluctanț ei minime .

Clasificarea
-c ur e l u c t a n ță variabilă și magnețip e r m a n e nți.După numă rul de înf ășurări de comand ă :
ao fază,
adouă
faze,
atrei faze,
apatru faze, acinci faze.
După
sistemul de alimentare și comand ă:
wdurata aliment ării,
wpolaritatea tensiunii aplicate,wnumărul de faze alimentate la un moment dat.
După tipul constructiv
în:
-c u r e l u c t a n ță variabilămonostatoric
polistatoriccu poli pe ambele arm ături
cu poli și dinți (reductor)
pe stator
pe rotor

Constructia
avantaje :
-construcție mecanic ă simplă;
-frecvențele de comand ă ridicate și viteze de rota ție relativ ridicate.
dezavantaje
:
-lipsa
cuplului în absenț a curentului de comand ă;
–
efectuarea
unghiului de pas cu oscila ții importante în special în
cazul aliment ării în secven ța simplă.MPP cu reluctanț a se caracterizeaz ă prin următoarele :
În general un MPP are un circuit magnetic
nesimetric
cu poli aparen ți
în
stator
și rotor a cărui reluctanță variază în funcție de pozi ția relativă dintre cele
două arm ături.
Înfășurarea MPP este plasată numai pe Zs poli statorici
sub forma unor
înfăș urări deschise m
fazate.

Constructia
MPP cu reluctan ță variabilă,monostatoric,cu
intrefier
radial
cu
Zs
= 6, ZR
= 4, m = 3Rotorul are ZR
poli fără înfășurare și ZR
≠
ZSMPP reluctant monostatoric

Unghiul
de pasζπ
θ Z 2 =
SS⋅⋅Modificarea
poziției
câmpului
statoric
la schimbarea
alimentării
dacă:
este un numă r întreg ce depinde de sistemul de alimentare
ζ. .i nmZ
ss=Unghiul
este:
Unghiul
dintre
doi
poli
rotorici:
RRZπ
θ⋅=2
Unghiul
de pas:
⎟⎟
⎠⎞
⎜⎜
⎝⎛−⋅⋅ =⎟⎟
⎠⎞
⎜⎜
⎝⎛− ⋅ = − = 1 1ζ
θ
θθ
θ θ θ θ
SR
R
RS
R R S pZZ
6 42
6211 64
42π π
π
θ =⋅− =⎟⎠⎞⎜⎝⎛−⋅⋅=pExemplu
:θS
RθRθp

Construcția
MPP
monostatoric
cu reluctan ță variabilă pentru
θp
= 150.
cu m = 3,
Zs
= 12, ZR
= 8
si cu m=4,
Zs
=8, ZR
= 6.
1211 128
82π
π
θ =⎟⎠⎞⎜⎝⎛−⋅⋅=p1211 86
62π
π
θ =⎟⎠⎞⎜⎝⎛−⋅⋅=p

Construcția
Rotorul unui MPP
polistatoric
cu
Zs
dinți
pe
fiecare stator, ZR
=Zs
dinți pe fiecare rotor. Dinții celor m = 3 rotoare sunt decalate cu unghiul de pas.
Unghiul
de pas:
mR
pθ
θ=
312
==
mZR
18 12 32 2π
π
π
θ = =⋅⋅=
RpZ mMPP reluctant polistatoric numărul de dinț i este acela și pe armături
Dinții celor m = 3 statoare sunt alinia ți
Infășurările polilor de pe un stator sunt înseriate.

Construcția
MPP
polistatoric
cu
Zs
dinți pe fiecare stator și
ZR
=Zs
dinți pe fiecare rotor. MPP polistatoric cu Zs
dinți pe fiecare stator si înfășurări inelare

Construcția
MPP cu reductor
pentru unghiuri de pa și
θp
< 50
Statorul are ZS
poli
rotorul are ZR
dinți
evitarea for țelor de atrac ție magnetica unilateral ă
a) b (k bZ = ZS
R ± ⋅80 < a < b/2
8a
și b
sunt prime între ele;
8k = 1,2,… un num ăr întreg oarecare
, 4 , 1 , 8=== b a ZS Exemplu:. .i nbaZS= Condiția:

Construcția
MPP reductor cu m = 4 faze, ZS
= 8 poli() 1 448± ⋅ =k ZR
,… 22 , 18 , 14 , 10 , 6 =RZ, 4 , 1 , 8=== b a ZS Exemplu:

Unghiul
de pas
⎟⎟
⎠⎞
⎜⎜
⎝⎛− ⋅ = ⋅ − =
Rz
SR z S pZk
Zk12π θ θ θkZZreg k
SR
z =⎟⎟
⎠⎞
⎜⎜
⎝⎛=int
⎟⎟
⎠⎞
⎜⎜
⎝⎛
± ⋅⋅−⋅=a b kb k
ZSpζ
π
θ1 2
Exemplu5 , 8 , 3 , 8==== k b a ZS
() 43 3 5 888= ± ⋅ =RZ 4 , 5843≈ =zk
1723
3 8 58 5
11
82π
π
θ⋅=⎟⎠⎞⎜⎝⎛
± ⋅⋅−⋅=p
Nu
se pot realiza
motoare
pas cu pas pentru
orice
unghi
de pas

Construcția
MPP reductor cu
rotor golcomanda acestui motor se face astfel
încât liniile de flux se închid între doi
poli alăturați pe calea cea mai scurt ăStator cu poliRotor pahar cu din ți pe suprafa ța dinspre întrefier

Construcția
MPP
polistatoric
de tip
sandwich
compus din 5 statoare și rotoare.

Construcția
Tipuri constructive
ƒcu reluctan ță variabilă;
ƒcu reluctan ță variabilă și magneț i permanenț i.
se pot construi ș i cu o singură înfășurare (monofazat ă)
-motorul
are cuplu și în repaus, deci pozi ția rotorului este re ținuta;
–
cuplul motorului este mai mare datorit ă componentei de cuplu dat
de magnet;
-pasul este executat f ără prea mari oscila ții.
MPP pot fi construite cu magnetul pe stator sau pe rotor .Prezenț a magnetului permanent determin ă următoarele avantaje
față de tipul precedent:

Construcția
MPP cu magnet permanent pe
rotor
Rotor cu magnet permanent și câmp homopolar
17/52

Construcția
MPP
cu magnet permanent pe rotor și câmp homopolar

Construcția
Micro MPP de tip
Lavet –
Diametrul magnetului cilindric
bipolar este de 1,5 mm.
–
Statorul are o por țiune saturat ă.
–
Poziția rotorului f ără excitație
este cea din figura.-
Durata impulsului (cca.8
ms)
este important ă pentru efectuarea
deplasării rotorului
–
μMPP este comandat cu
impulsuri de polaritate alternativ ă.MPP
cu magnet permanent pe rotor

Construcția
MPP cu magnet permanent pe stator
MPP monofazat cu magnet permanent pe stator (numit și
ciclonome) având
ZR
= 10, doi
poli statorici
X
și Y
cu
ns
= 3
dinți și
un pol
statoric
dublu Z
cu
nc
= 6
dinți.
În lipsa semnalului de comand ă câmpul celor doi magne ți permanen ți din stator
determină o așezare simetric ă a rotorului fat ă de
polii
X
și Y. Un semnal de comand ă
anulează fluxul unui pol X
sau Y,
rotorul
rotindu-se pân ă când din ții
rotorici la
celălalt pol Y
sau X
vor fi față-n față cu cei
statorici. Pasul= θp
/4

Construcția
MPP cu magnet permanent pe
stator de tip reductor cu dou ă
statoareDinții celor două statoare
sunt decalate cu
θp
/2 iar cele
două rânduri de din ți ale unui
stator cu
θp
/4.
Mișcarea rotorului se
produce datorit ă anulării
câmpului magnetic
într-o
secțiune a statorului

Construcția
MPP liniar tip
Sawyer

Construcția, funcționarea
Efectuarea
pasului
MPP
tip Sawyer

Modelul
matematic
dtdi R uλ
λ λ λΨ+ ⋅ =Ecuația
de tensiune
Expresia
fluxuluiθ
ψ
θ
ψλ
ν
λ ν
λ ν
λ λ
λ
λ MP –
i M + i ) ( L = cos⋅ + ⋅ ⋅∑
≠
2 L + L = ) ( L 2λ
λ
λθ
θ cos1⋅Inductivitatea
propriepropriu cuplaj Magnet permanent
Ψ
MPNS
ν iνλiλ
uλ
θλθν
24/52fluxul maxim al magnetului permanent
ΨMP
θλ
unghiul de poziț ie a rotorului fa ță de înfăș urarea λ

Modelul
matematic
inductivitatea mutuala de cuplaj
Mυλ
Fluxul de cuplaj depinde
de alimentarea MPP
bilanțul energetic
dt d i + i R = i u2ψλ
λ λ
λ
λ λ ⋅ ⋅ ⋅
energia magnetic ă a
motoruluieste
suma dintre:
energia mecanică și varia ția
energiei magnetice a înfăș urării
dtW d + dtd T = dtd iλ
λ
λ
λϑ
ψ⋅ ⋅()
λ ν
νλθ
θ−⋅= cosM M

Modelul
matematic
i L 21 = W2λ
λ
λ⋅expresia energiei magnetice
rezultă expresia cuplului dezvoltat de motor la alimentarea fazei λ
λ
λ
λ
λ
λθ
ψ
θ i + 2 i L – = T MP2
2 sin sin ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
Dacă se alimenteaz ă p
faze simultan, atunci cuplul
rezultant
()λ
λ
λ
λ
λθ
ψ
θ sin sin i + 2 i L = TMP2
2p
=1⋅ ⋅ ⋅ ⋅−∑
Cuplul dezvoltat are dou ă componente: prima de reluctan ță și
a doua dat ă de fluxul magnetului permanent

Modelul
matematic
υT
TKS
π
υT
TKS
π
cuplul maxim static sincronizat
TKSVariația cuplului la MPP cu reluctan ță
MPP cu din ți
nesimetrici
având m < 3

Modelul
matematic
cuplul motorului cu magnet permanent si
reluctanta
variabila
T
TKS
π
υdtd
pF +
dtd
pJ = T – T
rv
22
rsrϑ ϑEcuatia
miscarii
Tsr
–
este cuplul static rezistent,
J –
momentul
de inerție polar al
maselor în mi șcare,θπ
pr2 = pFv
–
este coeficientul de frec ări vâscoase,
pr
-n u măr de pași pe o rota ție

Modelul
matematic
Viteza de rota ție a MPP
dtd p1 =
rϑΩ
Curent
nominal(a)
(b)
I [A]T [Nm]
a)–
motor RV
b)–
motor hibrid
Caracteristica cuplul ui static în func ție de curentul de comand ă.

Efectuarea
pasului
tp t
υ
θpε
timpul de efectuare a unui pas
tp
unghiul dinamic de sarcin ă
(denumit și unghi de
suprareglare) ε

Caracteristici
statice
T
TSr
θp θpθA1 A21 2 3 4
A3 A44
Caracteristicile statice ale unui MPP tip reductor cu magnet permanent Tlm
Cuplul limit ă de mers
Cuplul
de sarcina
εsunghiul static de sarcin ă

Caracteristici
statice
T [Nm]
f [pași/s]domeniu
de
accelerare
caracteristi
ca
de mers
Domeniu
de
pornire
Caracteristicile de mers și de pornirela un cuplu rezistent dat
–
frecvența maximă de pornire
fpmax
,
–
frecvența maximă
de mers
fmmax
.
la o frecven ță dată
– cuplul limit ă de pornire
Tlp
,
–
cuplul limit ă de mers
Tlmcaracteristi
ca
de
pornire
Tsr
fpmax
fTlp
fmmaxTlmTks
flp-
Frecvența limită de pornire flp-
frecvența limită de mers flm
.

Unghiul de comuta ție
Unghiul de comuta ție reprezint ă decalajul între pozi ția reală a rotorului în
momentul aplicării tactului de comand ă și poziția corespunz ătoare echilibrului
stabil aferent st ării electrice existente pân ă în acel moment.
depinde de: cuplul rezistent,
frecvența de comand ă,
constante de timp 4π
θ θ− > >c p

Comanda
motorului
pas cu pas
Controler
de intrareDistribuitor
impulsuri1
2
3
4Contactor
static1
2
3
4Motor
Schema bloc general ă de comanda în circuit deschis a unui MPP
Circuite
integrate specializate
pentrumodul
de comand ă:
–
tipul motorului,
–
caracteristicii cerute,
–
pasul ce trebuie realizat, etc.Dificultăți:numărul
de faze : 1 faz ă →5 faze
-Controler de intrare
-Distribuitor de impulsuri

Comanda
motorului
pas cu pas
Mărimi
caracteristice
ale comenzii:
4durata aliment ării,
4polaritatea tensiunii aplicate,
4numărul de faze alimentate la un moment dat.
durata aliment ării
œcomanda poten țiala; durata alimentării este mare
comanda prin impulsuri. – impulsuri singulare (puls cu puls)
–
cu tren de impulsuri.
polaritatea tensiunii aplicate
–
comanda monopolară
–
numai
într-un sens
–
comanda
bipolară
–
cu semn schimbat .
numărul de faze alimentate la un moment dat
‘comanda simetric ă, se alimentează același numă r de faze.
comandă simetrică simplă, pe rând fiecare faz ă.
comandă simetrică dublă,
în orice moment câte dou ă faze.
’comandă nesimetric ă
35/52

Comanda
motorului
pas cu pas
Modificarea câmpului magnetic
într-un MPP reactiv
comandat simetric dublu bipolar.

Comanda
motorului
pas cu pas
Controler
de intrareDistribuitor
impulsuri1
2
3
4Contactor
static1
2
3
4Motor
Distribuitor impulsuri . Preiau trenul de impulsuri de comand ă, împreun ă cu
comenzile de sens și furnizeaz ă la ieșire m
trenuri de impulsuri decalate
unele față de altele cu unghiul
θs
= 2π/m Controler de intrare . Are
rolul de a genera impulsur i sau un tren de impulsuri în
funcție de deplasarea necesar ă și ținând seama de caracteristicile de frecven ță ale
motorului
Contactor static.
Are rolul de injectare unui curent dreptunghiular pe
fazele motoruluiSchema bloc general ă de comanda în circuit deschis a unui MPP

Contactor static
Injectarea unui curent dreptunghiular pe fazele motorului
pentru a avea caracteristicile descrise anterior
MotorCounter e.m.f.
Motor terminal
Schema echivalenta
a alimentarii
unei
fazeVariatia
in timp
acurentului
prin
faza
motorului
Curentul nu are forma dreptunghiular ă și este defazat ă față de tensiune . înfăș urarea MPP este o sarcină
rezistiv inductiv ă cu:
rezistenț a variabilă datorită încălzirii,
inductivitate variabil ă cu poziț ia rotorului și cu satura ția,
 t.e.m., la unele MPP, variabil ă cu mișcarea rotorului.Tensiune
Curent

Contactor static
Curentul determin ă pe inductivitatea înf ășurării motorului apari ția unor
supratensiuni, de obicei de zeci de ori tensiunea nominal ă.
¦îmbunătățirea formei curen ților
-forțarea curentului pentru reducerea timpului de creș tere a curentului;
–
întreruperea rapidă a curentului în faza deconectat ă¦Tensiunea nominala a MPP rareori depăș ește 48 V , de obicei este 12sau 24 V .
RSRe
Rw
LDSRezistenta externa
Rezistenta înfasurarii
Inductanta înfasurariiE
Forțarea pantei de cre ștere a curentului
–
schimbarea
constantei de timp a
circuitului motorului –
prin conectarea unei
rezistenț e externe în serie cu fazele motorului,

Forțarea pantei de cre ștere a curentului
21
2
3EH
EL
VD1
VT2VT1
a3a1sunt necesare:
– două
surse de tensiune;
–
un
senzor de curent, de obicei
o rezisten ță;
–
un
circuit
monostabil
(1),
–
diode
rapide pentru protec ția
surselor-f orțarea prin tensiune .

Forțarea pantei de cre ștere a curentului
IN
Curent
Timp
Interval de
lucru al
supresoruluiIntervalul lui Tr1Timp de pornireTensiunea
aplicata
înfasurariiNecesită:
– o sursă de tensiune mult
mai mare decât tensiunea
nominală,
– două contactoare pentru
fiecare fază a motorului,
–
un
oscilator cu
frecvență 1 ÷
30
kHz-
fortarea de tip chopper

Supresarea curentului prin faza deconectat ă
Supresarea curentului prin faza deconectat ă
bdiodă ;
bdiodă și rezistență;
bcu dioda
Zener.
Sensul
curentului-RS
VFDDioda
Zener

Supresarea curentului prin faza deconectat ă
Compararea celor trei metode de
supresare
Diodă
Diodă și rezistor
Diodăș i diodă
ZenerCurentdioda
Timp
43/52

Contactor static
Tr1
Tr2D1
D2Tr3
Tr4D3
D4Ph1
Ph3Ph2
Ph4E(1)
E(2)
Convertor in punte pentru comanda
bipozițională
a unui MPP cu 2 faze.Re

Contactor static
Metodele de
supresare prezentate au urm ătoarele dezavantaje:
-energia magnetica a fazei este totdeauna disipată ;
-apare
un cuplu negativ care produce frânarea;
–
supratensiunea admisibil ă a comutatorului limiteaz ă valorile
rezistenț elor, deci tipul de
supresare;
-toate acestea determin ă o viteză relativ mica pentru motor.
Supresarea activ ă elimină aceste neajunsuri.
În
principiu configura ția de baza a comenzii este asem ănătoare cu comanda
bipolară pentru MPP cu deosebirea c ă schema în puncte conț ine numai două
comutatoare și din acest motiv permite o comandă monopolară .

Distribuitoare de impulsuri
Preiau trenul de impulsuri de comand ă, împreun ă cu comenzile
de sens ș i furnizeaz ă la ieșire m
trenuri de impulsuri decalate
unele față de altele cu unghiul
θs
= 2π /m
Distribuitoarele pot fi
nereversibile
sau reversibile .
Cele
nereversibile asigur ă mișcarea rotorului numai în sens orar (CW –
clockwise) sau numai în sens
antiorar
(CCW-
counterclockwise).
Ph 1 3 4 2
Spre driverIMPULS DE
COMANDAJ
T
KQ1
Q1J
T
KQ2
Q2
RESETR 123456 …
Ph1.Q10110011 …
Ph2.Q20011001 …
Ph3.Q11001100. . .
Ph4.Q21100110. . .

Controlerul de intrare
Are rolul de a genera impulsuri sau un tren de impulsuri în func ție
de deplasarea necesar ă și ținând seama de caracteristicile de
frecvență ale motorului
Pentru func ționare cu tren de impulsuri oscilatoarele trebuie s ă-și modifice
frecvența după diferite legi altfel pot apare pierderi de pa și
Se folosesc în general urmă toarele tipuri de oscilatoare
oscilator cu poartă.
oscilator cu rampă liniar ă, sau exponen țială,
oscilatoare digitale pe baz ă de multiplicatoare de frecven ță

Amortizarea
oscilaților
MPP
Efectuarea pasului-
apar oscila ții
tpozt
υ
θpε
tpSuprareglare –

ε
Crește timpul de pozi ționare –
tpoz
Ffrecvența proprie de oscila ție a MPP
T
f f1 f2
Se constat ă
că
oscilațiile se reduc cu cre șterea cuplului rezistent.

Amortizarea
oscilaților
MPP
–
amortizoare mecanice externe;
–
amortizoare electrice ;realizarea unui cuplu de frânare, pr in modificarea momentului de
inerție și
realizarea unui cuplu de frec ări vâscoase
.
-lungesc MPP,
-sunt supuse uzurii,
-măresc inerț ia sistemului reducând
frecvențele limită
de pornire și de lucru.
Au la baz ă: folosirea unor elemente de ci rcuit (R,C) prin care se pot
asigura curen ți si prin fazele necomandate, și modificarea comenzii
motorului.
-se poate aplica numai anumitor tipuri de motoare.
-măresc pierderile în motor,
și
-reduc frecven țele limită.

Amortizarea
oscilaților
MPP
–
amortizoare electronice.
Au la baz ă
modificări în partea electronic ă
de comand ă
a motorului
–
metoda întârzierii ultimului pas, care consta în aplicarea ultimului
impuls, atunci când motorul se g ăseste în pozi ția de suprareglare
maximă
a penultimului pas,
–
comanda bang-bang
sau alimentarea fazei precedente . înainte de a
atinge pozi ția finală
corespunză toare fazei λ
se decuplează
pentru un
timp scurt faza λ
și se recuplează
faza λ-1.
Regimul de micropăș ire se obține alimentând simultan 2 faze ale
MPP prin variatoare de cu rent. Astfel pasul mare θp
poate fi divizat prin
factorul divizare Kv
în micropa și.
Factorul de divizare depinde de num ărul de trepte realizabile pentru
curenții de fază
cu ajutorul variatoarelor de curent. Regimul de microp ășire al MPP
Schimându-se valoarea curentului într-o faz ă
se obține modificarea
poziției câmpului statoric.

Avantaje,
dezavantaje
Avantaje:
ƒ asigurăunivocitatea conversiei impuls-deplasare, ceea ce permite
folosirea MPP în circuit deschis de pozi ționare;
ƒprecizieși putere de rezolu ție, ceea ce simplific ă lanțul cinematic
de acționare;
ƒprocese tranzitorii fă ră pierderi de pa și;
ƒcompatibilitate cu tehnica numeric ă;
ƒunele tipuri dezvoltând cuplu și în repaus-memoreaz ă poziția.
Dezavantaje :
ƒschema de alimentare și comandă trebuie adaptat ă la tipul MPP;
ƒrandament sc ăzut;
ƒviteza de rota ție relativ sc ăzută.

Bibliografie
Armensky
E, V., Falk G. B.
:”
Fractional Horsepower Electrical Machines ”
MIR Publiser, Moscow,1978.
Biro K.A.,Viorel I.A.,Syabo L.,Henneberger G.
“
Mașini electrice speciale
”, Editura MEDIAMIRA,
Cluj-Napoca, 2005.
Imecs
M., Kelemen
A., Rusu
C., Marschalko
R., –
“Vector control of PM
hybrid stepping motor with tracking torque ”. The 7th International Conference
IMACS-TC1’93
Jufer, M. , G. Heine , “Hybrid Stepper Motor Torque and Inductance
Characteristics with Saturation Effects ”
June 1986, Proceedings of IMCSD
15th Annual Symposium, pp. 207-212.Kelemen A., Crivii M ., “
Motoare electrice pas cu pas ”
–Ed. Tehnica
Bucuresti, seria
Masini
aparate
electrice, 1975.
Kelemen A., Imecs M., Marschalko R., Rusu C.
–“Torque and Speed
Control Systems for PM Hybrid Stepping Motor ”. ICEMA, Adelaida,
Australia, vol. 3, pp.506-512, 13-15 Sept 1993.

Bibliografie
Kellermann H. et al.
–“
Field Oriented Position Control of a Hybrid Stepper
Motor ”, European Power Electronics EPE 95, Sevilla, Spain, vol. 3, pp.
908 –
913.
Kiyonobu Mizutani, Shigero Hayashi, Nobouky Matsui
–“Modeling and
Control of Hybrid Stepping Motor ”, IEEE /IAS Annual Meeting, 1993, pp.
289-294Kuo, B.C., U.Y. Han , “
Permeance Models and their Applications to Step
Motor Design ”, June 1986, Proceedings of IMCSD 18th Annual Symposium,
pp. 351-369.Matsui Nobouky, Makoto Nakamura, Takashi Kosaka
–“
Instantaneous
Torque Analysis of Hybrid Stepping Motor ”. IEEE /IAS Annual Meeting, 1995,
pp. 701 –
706.
Trifa V., " Servomecanisme ", Litografia Institutul Politehnic din Cluj-Napoca,
1981.Viorel
I.A., Szabó
L., "
Hybrid linear stepper motors ", Ed. Mediamira, Cluj-
Napoca, 1998.