Servomotorul electric are rolul de a transforma un semnal electric de comanda [604275]

Servomotoare
Servomotorul electric are rolul de a transforma un semnal electric de comanda
într-un cuplu electromagnetic, respectiv într -o mișcare de rotație a arborelui său prin
care este antrenat mecanismul care realizează operația dorită. Astfel elee s unt incluse
în sisteme de reglare automată ca elemente de execuție, lucrând în condiții foarte
variate atât în ceea ce privește caracterul sarcinii cât și viteza, puterea tensiunea și
frecvența de alimentare.
Principalele calități pe care trebuie să le aib ă servomotoarele sunt:
– să permită reglarea vitezei în limite foarte largi prin variația parametrilor
tensiunii de comandă (uneori până la 1:10000);
– cuplu electromagnetic mare de pornire;
– putere de comandă mică;
– viteză de răspuns mare;
– stabilitate și sigura nță în funcționare pentru întreaga gamă de viteze;
– liniaritatea caracteristicilor mecanice și de reglaj;
– absența autopornirii;
– gabarit și greutate mică, preț de cost cât mai scăzut.

1.Servomotoare de curent continuu

Se caracterizează prin posibilitatea r eglării vitezei în limite foarte largi cu ajutorul
unor instalații relativ simple, prin caracteristici mecanice și de reglaj liniare, cuplu
specific ridicat, capacitate de supraîncărcare mare, greutate specifică mică, absența
autopornirii, cuplu de pornire ridicat, moment de inerție scăzut, constante de timp
electromecanice mici.
Marele lor dezavantaj este dat de prezența colectorului, a neliniarității contactului
perie colector, a fenomenelor de comutație și a scânteilor la colector care produc
paraziți ra diofonici și chiar semnale false în circuitele de comandă.
Se recomandă a fi folosite acolo unde se cere un reglaj continuu de viteză, atunci
când sarcina are un caracter variabil cu șocuri frecvente, dar acolo unde nu este pericol
de explozie.
După tipul constructiv se pot împărți în trei categorii:
– cu rotor cilindric;
– cu rotor disc;
– cu rotor pahar.

1.1.Servomotoare cu rotor cilindric
Sunt cele mai apropiate de mașinile clasice și pot fi cu excitație electromagnetică,
cu magneți permanenți sau hibride.
Cele cu excitație electromagnetică se construiesc pentru puteri mari, tendința
fiind aceea de a le înlocui cu cele cu magneți permanenți care au dimensiuni mai mici,
randamente mai bune și răcirea mai bună.

Sisteme de excitație a servomotoarelor de c.c.
Magneții permanenți reprezintă materiale magnetice dure, pe când circuitul
feromagnetic este realizat din materiale magnetice moi. Materialele dure au B r (inducția
magnetică remanentă) mare și H c (câmpul coercitiv) mare. Materialele feromagnetice
moi, uti lizate la realizarea circuitelor magnetice în mașinile electrice, au suprafața ciclului
de histerezis redusă, deci și pierderi datorate remagnetizării succesive reduse
(proporționale cu suprafața ciclului de histerezis).
Materiale pentru MP:
1)AlNiCo (Co î ntre 10…40%) – au B r=0,75…0,92T, H c=58…132kA/m
și(BH) max=13,5…44kJ/m3. Prețul dar și calitățile cresc odată cu creșterea conținutului de
Co
2)Feritele – oxizi de fier(Fe 2O3) și stronțiu(SrO), sunt mai ieftine ca MP de tip
Alnico . Au B r=0,2…0,4 T (inducția remanentă mică) , H c=140…200kA/m,
(BH) max=7…26kJ/m3.

3) Pământurile rare – Samariu -cobalt(SaCo), fier -niodium(FeNd). Sunt cele mai
scumpe, au B r=0,87…0,9T, H c=660…1000kA/m, (BH) max=152kJ/m3 sau mai mult.

a)Caracteristica de demagnetizare si cea energetică pentru MP ; b)Caracteristica de magnetizare
la materiale magnetice
În cazul utilizării magneților de t ip Alnico care au inducție magnetică remanentă
mare și câmp coercitiv mic, polii se pot realiza direct din MP, iar pentru reducerea
efectului demagnetizant al reacției indusului se prevăd tălpi polare din oțel electrotehnic
(soluție utilizată de firma Blocher).

Fig.Poli realizați din MP -Alnico

Fig.MP -Alnico, plasați între poli
Datorită câmpului
coercitiv redus se
folosesc MP de lung imi
mari care uneori sunt
magnetizați cu ajutorul
unor bobine speciale
plasate în jurul MP.
Caracsa realizată
din material feromagnetic
folosește la închiderea
liniilor câmpului de
excitație
Pentru material
Alnico cu inducții
magnetice remanente mai
scăzut e și cu câmp
coercitiv mai ridicat,
magneții permanenți se
plasează pe coardă,
închiderea liniilor de câmp
nu se mai face prin
carcasă.

Atunci când se utilizează feritele ca MP, datorită inducției magnetice remanente
mici și a câmpului coercitiv mai m are, magneții vor avea o lungime mai mică, mașina un
nr. de poli mai mare, iar funcționarea va fi eficientă și la întrefieruri mai mari .

Fig.- Poli din MP -ferite

Fig. MP – ferite – plasați între poli

Utilizare MP din pământuri rare, cu energii magnetic e maxime ridicate, conduce
la un volum scăzut de magnet, avantajos pentru servomotoarele mici. Acesti MP cu B rem
în jurul valorii de 1T se plasează în locul polilor de excitație, efectul reacției indusului
fiind redus de către câmpul coercitiv mare al MP.
Servomotoarele hibride (MP+excitație electromagnetică) se utilizează acolo unde
se dorește modificarea coeficientului de tensiune -cuplu în anumite limite. Astfel la
mersul în gol cu excitația nealimentată avem o anumită turație (ex.1450rpm), cu
excitația a limentată adițional o altă turație mai mică (ex.365 rpm), iar cu excitația
alimentată diferențial o turație mai mare ca cea fără excitație (ex.2850rpm). Pentru
aceste servomotoare înfășurarea de excitație are o priză mediană și sensul curentului
de excitaț ie se schimbă relativ simplu, fluxul produs se adună sau se scade din cel al
MP. Astfel de servomotoare sunt folosite la acționarea benzilor magnetice de memorie a
calculatoarelor, cu viteză mică și cuplu mare rezistent în sensul de citire, cu viteză mare
și cuplu rezistent mic la derulare.

Pentru reducerea momentului de inerție, geometria rotorului acestor
servomotoare este diferită de cea a mașinilor clasice, raportul D/L (diametru /lungime)
ajungând la valori de sub 0,3.
Rotorul este realizat din tole de oțel electrotehnic, înfășurarea fiind de tip ondulat
plasată în crestături deschise pentru reducerea efectelor comutației, motiv pentru care
se utilizează un număr redus de spire pe secție (N=1 – uneori).
Valorile tipice ale rezistenței rotorului și ale i nductivităților se încadrează în
domeniul 0,2 -1,5 Ω și 0,7 -4mH, rezultând astfel constante de timp electrice sub 10 ms.
Servomotoarele de dimensiuni mici se construiesc pentru viteze ridicate de până
la 500 rad/s cu o pereche de poli, cele medii până la 30 0 rad/s cu 4 sau 6 poli și cele
mari sub 100 rad/s având în jur de 12 poli.

1.2.Servomotoare cu rotor disc

Sunt realizate prin dispunerea unei înfășurări de tip ondulat pe un disc din fibre
de sticlă, disc care se rotește între niște magneți permanenți p lasați axial.

Fig.SRD – servomotor cu rotor disc

Înfășurarea se execută prin ștanțare din tablă de Cu de 0,2 mm, apoi este lipită
cu o rășină epoxidică pe discul amintit. Părțile centrale și exterioare se îndepărtează
printr -o nouă ștanțare, conducto arele de pe cele două fețe fiind sudate la capete prin
scântei sau fascicol de electroni , în mod automat. Colectorul poate fi constituit din însăși
conductoarele plate ale indusului pe care alunecă periile mașinii. La puteri mai mari
înfășurarea este astfe l proiectată încât numărul de spire pe secție să fie mai mare de 1
(2,3) ceea ce permite să se realizeze pe disc prin aceeași stanțare un colector de tip
radial (brevet românesc), crescând astfel durata de viață a mașinii.
Rezistențele și inductivitățile t ipice ale acestor mașini sunt între 0,15…1Ω,
respectiv 25…75μH, rezultând constante electrice de timp sub 0,1 ms.
Întrucât rotorul mașinii nu conține materiale feromagnetice, el este mult mai ușor
decăt rotorul cilindric, dar momentul de inerție este c omparabil datorită razei de girație
mult mai mare, astfel că au constante electromecanice de timp de același ordin de
mărime (<10ms). Deoarece rotorul nu are material feromagnetic, pierderile prin
histerezis sunt nule, nu apare saturația magnetică, nu apar înțepeniri magnetice.
Avantajul cel mai important al acestor servomotoare constă în faptul că având
conductoarele în aer, densitatea de curent poate fi mult crescută – până la 45 A/mm2
pentru funcționarea în regim continuu și 100 A/mm2 pentru regimuri de scurtă durată –
ceea ce are ca efect economia de Cu și de asemenea posibilitatea folosirii tablei de Cu
și nu a sârmei ( tabla de Cu este mai ieftină ca sârma) reduce în continuare prețul de
cost al acestor mașini. Pretul de cost este pozitiv influențat și de posibilitatea
automatizării procesului de producție în cazul seriilor mari.
Geometria specială greutatea redusă, fac acest tip de servomotoare ideale pentru
aplicații de putere mică, la mașini unelte, la acționarea servovalvelor, în industria
ușoară, c himică etc.
Principalele lor dezavantaje sunt numărul limitat de conductoare care se pot
plasa pe suprafața unui disc și viteza relativ redusă a lor, ceea ce duce la o tensiune
mică pe un disc (30 -60V).

1.3.Servomotoare cu rotor pahar

Sunt realizate prin dispunerea unei înfășurări din Cu sau Al pe un pahar din fibre
de sticlă sau direct într -o rășină epoxidică. Au raportul D/L=0.3…0,5 ceea ce face să
aibă un moment de inerție foarte scăzut, în jur de 10% din cel al celorlalte tipuri de

servomotoare de c .c. Au o constantă electromecanică și electrică de timp foarte reduse(
sub 0,5ms respectiv sub 0,1 ms).

Colectoarele servomotoarelor de c.c. se execută din lamele de Cu electrotehnic
presate pe butuci din materiale plastice, lamelele fiind izolate între ele cu mică sau răsini
polimerice.
Periile sunt susținute în portperii de construcție simplă, în formă de tub cu
secțiune dreptunghiulară fixat într -o piesă de material el ectroizolant prinsă pe scut.
Periile sunt presate fie de un arc elicoidal fie de un arc spiral

Periile se execută din bronz sau argint grafitat, au în general un conținut ridicat
de metal pentru a reduce căderea de tensiune la trecerea curentului electri c
Uzura unei perii este în funcție de presiunea care se exercită asupra ei, zona
optimă de utilizare fiind între zona de uzură maximă de natură electrică și zona de uzură
maximă de natură mecanică.

Caracteristicile mecanice ale servomotoarelor de c.c. co mandate pe indus

În acest caz curentul de excitație este constant, sau excitatia se realizează cu
magneti permanenti, schema electrica fiind prezentată în figura de mai jos:

Se pot scrie atunci ecuațiile de funcționare astfel:
UE=REIE ;(1)
UA=RAIA+cU EΩ ;(2)
M=cU EIA ;(3) unde c este o constantă pentru o mașină dată. În sistemul
precedent s -a înlocuit tensiunea electromotoare indusă U e=kΨΩ=cU EΩ, deoarece fluxul
este dependent de I E, deci de tensiunea de alimentare a circuitului de excitație U E.
Întrucât la servomotoare se folosesc caracteristicile în unități relative se vor face
urătoarele notații: – λ=U A/UE – numit coeficient de semnal;
–
0 -viteza unghiulară relativă, unde Ω 0 este viteza unghiulara de mers în
gol
p0
0 , p – fiind numărul de perechi de poli;
– μ=M/M sc – cuplul relativ unde M sc este cuplul de scurtcircuit (rotor blocat).
Înlocuind în ecuațiile precedente se obține:
AE E
ARcUUI
;(4)
) (2 2 2 2
 cRcU
RUc cUM
AE
AE E
;(5)
Cuplul la scurtcircuit nominal se obține pentru λ=1 și Ω=0, rezulta deci

AE
scRcUM2
 (6), acesta fiind și cuplul de pornire, și înlocuind în (5) rezultă μ=λ – cΩ (7).
Dar viteza nominală de mers în gol se atinge când M=0 și λ=1 , deci ec. (7) devine 0=1 –
cΩ0 (8) deci c=1/Ω 0. înlocuim acum în (7) și ne rezulta ecuația caracteristicii mecanice
(Ω=f(M)) în unități relative (
)(f ):
=λ -μ. (9). Aceste caracteristici se ridică pentru
diferite valori a coeficientului de semnal λ.
Spre exemp lu pentru λ=1 avem
 =1 –μ, din care rezulta la: 1) μ=0
 =1; 2)μ=1
 =0;
dependența fiind teoretic liniară. În figura de mai jos se pot observa caracteristicile
pentru diferite valori ale lui λ.

Ecuația caracteristicii de reglaj este reprezentata de dependenta
 =f(λ) și se
ridica pentru diferite valori a cuplului relativ μ, șpre exemplu pentru μ=0, mers în gol
ideal avem
 =λ .
În figura următoare sunt prezentate caracteristicile de reglaj pentru diferite valori
ale cuplului relativ.

O altă caracteristică importantă este reprezentată de curba de variație a puterii în
funcție de viteza relativă.

Puterea mecanică P m=Pabs -RAIA2, unde primul termen reprezintă puterea
absorbită, iar cel de -al doilea pierderile în înfășurări. P abs=UAIA=λU EUE(λ –
)/RA.
Rezultă deci :
22 2
22 2
22
2
22 2
2  
AE
AE
AE
AE
AE
AE
A
AE
mRU
RU
RU
RU
RU
RURRUP   

22

AE
mRUP
. Si aceasta putere se r aporteaza la o putere de baza
AE
bRUP2
 și
obținem relația în unități relative
2mp . Șe observă că puterea relativă în funcție
de viteza relativă reprezintă ecuația unei parabole p m=f(
). Aceasta depen dență se
reprezintă grafic pentru diferite valori a coeficientului de semnal λ, rezultând o familie de
caracteristici de forma celor din figura de mai jos:
Se observă că puterea este zero atât la mers în gol ideal (
 =1) cât și la scur tcircuit
(
=0).

Comanda pe excitație a servomotoarelor de curent continuu

Comanda pe excitatie a servomotoarelor de c.c. nu se folosește decât în cazul
servomotoarelor de mare putere dar și atunci doar dacă se folosesc scheme de
alimentare a servomotorului la curent constant. Caracteristicile mecanice ale
servomotoarelor comandate pe excitație sunt incompatibile cu un sistem de reglare
automat și se demonstrează acest lucru plecând de la ecuațiile de funcționare a
servomotorului :
AEEE EAA E AA m A
IIkMIR UIRIkIR k U
11 0

din care rezultă
 
22 2
1 111
EAE
EAEAEAE
EE
A
RRUk
RRUUkMMUkRR
RUkU
Din ultimul sistem putem obține expresia cuplului de pornire și a pantei caracteristice
astfel :
2
22
1
01
E
EApE
EAA
p
U
RRk MURRUkM








.

Se observă astfel că dependența cuplului de pornire de tensiune d e excitație
este liniară, în timp ce panta caracteristică depinde de pătratul tensiunii de excitație. In
figura următoare se pot observa caracteristicile mecanice pentru două valori ale tensiunii
de comandă : nominală – UEn respectiv jumătate – (1/2)U En.
Se observă deci incompatibilitatea amintită la început.

In cazul alimentării cu curent constant, I A=ct., problema se schimbă și atunci
obținem :
E
EEA
AE UkRUIkIIkM21
1   , pentru partea liniară a caracteristiciii de
magnetizare. In acest caz ca racteristica de reglaj este conform figurii din dreapta (sus).

In figura următoare este prezentata o schema de alimentare la curent constant a
servomotorului de c.c.

Așa cum aminteam la început, schema de alimentare la curent constant și
comandă pe excitație se aplică doar în cazul servomotoarelor de mare putere, un alt
motiv fiind și acela că acest tip de comandă prezintă performanțe dinamice inferioare
comenzii pe indus. Pe de altă parte sursa de curent constant este echivalentă cu un
sistem de co mandă pe indus astfel că se preferă aceasta din urmă.

Surse de c.c. de tensiune reglabilă

Aceste surse pot fi :
– redresoare semicomandate sau complet comandate cu tiristoare sau tranzistoare
de putere ;
– variatoare statice de tensiune con tinuă (VSTC) cu tranzistoare de putere sau
tiristoare (se mai numesc și choppere).

Redresor monofazat reversibil cu funcționare în 4 cadrane pentru comanda
servomotorului de c.c.

Modificarea tensiunii redresate se realizează prin modificarea unghiului de
aprindere a tiristoarelor. Funcționarea în toate cele patru cadrane este posibilă folosind
două redresoare complet comandate conectate în opoziție. Cele două redresoare pot
funcționa separat, câte unul pentru fiecare sens de rotație, sau concomitent, î n care caz
un grup funcționează ca redresor iar celălalt ca invertor.
Este preferată în practică comanda cocncomitentă a celor două redresoare
datorită ușurinței cu care se trece curentul de pe un grup de tiristoare pe altul. In acest
caz apare un curent d e circulație între redresor și invertor pentru a cărui limitare se
conectează bobinele cu miez de fier K1 și K2. Fiecare grup de tiristoare V 1, V2 respectiv
V3, V4 este comandat cu un unghi care să asigure aceeasi tensiune medie redresată, de
exemplu αA=600, αB=1200, respectîndu -se conditia αA+αB=1800. Curentul de circulație i cir,
apare din cauza diferenței u cir dintre valorile momentane ale celor două tensiuni
redresate, de valori medii egale (fig.1). Această diferentă, de formă alternativă, creează
un cu rent pulsatoriu, a cărui amplitudine depinde de unghiul de comandă, fiind maximă
la αA=900.

Pentru un anumit sens de rotație a servomotorului (de exemplu, dreapta) grupul
de tiristoare V 1—V2 funcționează ca redresor activ, cu un unghi de comandă
90A

(fig.2); tensiunea medie redresată fiind mai mare decit tensiunea electromotoare,
masina funcționează în regim de motor. Prin acest redresor circulă suma dintre curentul
motorului im și curentul de circulație i cir .Grupul de tiristoare V 3 – V4 este comandat cu
αB>90', deci lucrează în regim de invertor, dar pasiv, căci este parcurs doar de curentul
de circulație. Dacă turația servomotorului are tendința să crească, ca urmare a scăderii
sarcinii, sau dacă se dă comandă de micșorare a turați ei sau de oprire, tensiunea
electromotoare devine mai mare ca tensiunea redresată medie, curentul rotoric se
anulează și schimbîndu -și sensul, trece prin grupul invertor B (V 3, V4), care devine activ,
iar redresorul A (V1, V2) devine pasiv, fiind parcurs d oar de curentul de circulație.

Fig.2 Funcționarea în primele două cadrane
La functionarea CU alt sens de rotație, printr -o cornandă adecvată, grupul de
tiristoare care fusese redresor ( αA<900) devine invertor ( αB>900) și invers. Trecerea
grupului de ti ristoare din stare activă (parcurse de curentul motorului) în stare pasivă
(parcurse doar de curentul de circulație), ca și regimul energetic al mașinii de acționare
(motor sau generator), depinde deci de jocul valorilor absolute UA=-UB ale tensiunilor
redresate de cele două grupuri (valori medii) și a tensiunii electromotoare induse în
motor Ue =kΦΩ.
Curentul de circulație produce pierderi suplimentare în înfășurările bobinelor de
limitare și în tiristoare, lar bobinele maresc costul instalației, deși au ș i un rol de netezire
a curentului servomotorului. Cu toate acestea schema reversibilă cu curent de circulație
este mai avantajoasă decât schema cu grupuri independente de tiristoare (fără curent
de circulație), prin simplitatea comenzii, care nu mai trebui e să blocheze grupul de
tiristoare in concordanță cu sensul de circulație a energiei și prin asigurarea unui curent
neîntrerupt prin motor. Pentru limitarea curenților de circulatie, este recomandabil să nu
se lucreze cu unghiuri de comandă mai mari de300 (respectiv 150').