4.1 Elektromechanické akčné členy
Sú najvýznamnejšou skupinou výkonových prevodníkov – akčných členov mechatronických sústav. Realizujú prevod signálov sústavy na akčnú mechanickú veličinu (sila, mechanické posunutie, moment, otáčky, výkon). Výstupná veličina je spojená s pohybom, dej je spojený s premenou elektrickej energie na mechanickú. Vlastné riadenie prevádzky uskutočňuje riadiaca jednotka s istou inteligenciou. Tá je daná vlastnosťami a programovým vybavením riadiaceho procesoru a nadradeného riadiaceho počítača. Niektoré akčné členy sa vyznačujú materiálovou inteligenciou, danou vlastnosťami použitej látky. Zvlášť v posledných rokoch sú pre konštrukciu veľmi rýchlych prevodníkov aplikované nové kryštalické, polykryštalické a kompozitné, prípadne magnetostrikčné materiály, všeobecne nazývané inteligentné materiály.

Premena elektrickej energie na mechanickú využíva vlastnosti:
-magnetických polí (a, č. s magnetickým poľom)
-elektrických polí (a. č. s elektrickým poľom)
-materiálov pevnej fázy (piezoelektrické a. č. či akumulátory)

v praxi sú najrozšírenejšie akčné členy s magnetickým poľom, ale aj pneumatické a hydraulické a. č. Sú to klasické, priemyselné významné akčné členy.

4.1.1 Akčné členy s magnetickým poľom
Podstatná výhoda spočíva v tom, že prevádzajú energiu s veľkou hustotou. Na výstupe sa tak dá získať veľký silový účinok. To je významné ako u prevodníkov s posuvným (translačným) pohybom, tak u prevodníkov s rotačným pohybom a veľkým výstupovým momentom.

Priemyslové akčné členy, založené na prevode s magnetickým poľom, sú veľmi rozšírené a konštrukčne vyzreté. Sú to:
-jednotky s posuvným pohybom,
-elektrické motory s rotačným alebo posuvným pohybom (lineárne motory)
-servomotory (pracujúce akčné členy riadené sústavami so spätnými väzbami)
-špeciálne jednotky so zloženým, napr. kývavým pohybom.

4.1.1.1 Jednotky s posuvným pohybom
Využívajú:
-silové účinky magnetického poľa na vodič pretekaný prúdom (elektrodynamický princíp)
-silové účinky magnetického poľa na pohyblivú časť magnetického obvodu elektromagnetu (kotvu, prípadne jadro seleniodu).

a/ Silové účinky magnetického poľa na vodič pretekaný prúdom
príčinou vzniku MP s intenzitou H (A/m) je elektrický prúd I, pretekajúci tenkým vodičom s elementom dĺžky Δl. Intenzita magnetického poľa v bode A, ktorý leží mimo vodiča, je daná vzťahom H= ( I .Δl/r2). sin alfa, kde alfa je uhol medzi elementom Δl, vedúcim prúd, a spojnicou r elementu Δl a bodu A. Pre vybudenie magnetického poľa môžeme využiť permanentný magnet.

Magnetické pole sa dá opísať tiež magnetickou indukciou B (T),m závisiacou na intenzite magnetického poľa podľa vzťahu:
B=µr.µ0.H
V tomto vzťahu je symbolom µr označená relatívna permeabilita a symbolom µ0 permeabilitu vákua. Konečný stav magnetického obvodu popisujeme pomocou magnetického toku Φ(Wb).
Φ= B.S
Kde S je plocha kolmá na vektor B. Ak kolmo na vektor B umiestníme vodič pretekaný prúdom, vzniká silové pôsobenie:
ΔF=Δl.B.I

Orientácia sily prúdovodiča a magnetického poľa sú navzájom kolmé vektory.

Princíp má využitie v elektrodynamických výsuvných jednotkách , ktoré niektorí výrobcovia nazývajú lineárnymi motormi. Sila pôsobiaca na cievku umiestnenú na pružnom závese vo vzduchovej medzere magnetického obvodu budeného permanentným magnetom vyvolá posuvný pohyb cievky.


Rotácia závitu pretekaného prúdom v magnetickom poli
Vodič môže mať tvar obdĺžnikového závitu s plochou S pretekaného prúdom I. v magnetickom poli s intenzitou H vznikne mechanický dipólový moment závitu : m nula=µ nula.S.I, ktorý vytvára spolu s pôvodným magnetickým poľom mechanický moment Mmech1 (Nm). Ten je príčinou pootočenia závitu do polohy, v ktorej je rovina závitu kolmá na smer pôsobenia magnetického poľa:
Mmech1= mnula . H.sin alfa
Tu je a uhol medzi vektorom B (alebo H) a normálou roviny závitu.

Veľkosť výsledného mechanického momentu cievky s N závitmi:
Mmech=N.µnula.S.I.Hsinalfa= N.S.I.B.sinalfa.

b/ Silové účinky magnetického poľa na kotvu elektromagnetu
Významná skupina elektromagnetických akčných členov- elektromagnetov s posuvným pohybom- odvodzuje svoje silové pôsobenie zo zmeny energie magnetickéjo poľa ΔW pri posunutí kotvy o Δx
ΔF=ΔW/Δx
Zo vzťahu vyjadríme zmenu energie ΔW ako súčin sily ΔF a posunutia Δx, čo predstavuje prácu ΔAp vykonanú po dráhe Δx:
ΔW=1/2.B.H.ΔV= ½ .B.H.S.Δx=ΔF.Δx=ΔAp.

Výstupná elektrická energia dodaná do cievky elektromagnetu za čas Δt pokrýva straty teplom na reálnom odpore vinutia R, energiu potrebnú na vytvorenie magnetického poľa ΔΦ:
UiΔt= Ri na druhúΔt +iΔΦ
Kde U je rovnakosmerné napätie zdroja, i predstavuje okamžitú hodnotu prúdu.

Vyšetrenie prechodného deja po pripojení cievky na zdroj je nevyhnutné pre posudenie dynamického chovania elektromagnetu, tj. pre stanovenie doby príťahu, resp. doby odpadu kotvy elektromagnetu. Oba časové údaje sú dôležité v tých aplikáciách, v ktorých požadujeme rýchly akčný zásah realizovaný týmto akčným členom.

Uvažujme najprv o zjednodušenom prípade, v ktorom predpokladáme, že indukčnosť cievky L bude pre celú dobu prechodného deja konštantná. Budeme riešiť diferenciálnu rovnicu zostavenú pomocou Kirchhoffovho zákona o súčte napätí v uzavretej slučke:
L di / dt+Ri= U.

i= I (1- e –t/j )

vo vzťahu sme symbolom j označili časovú konštantu obvodu (j= L/R) a I ustálenú hodnotu prúdu (I= U/R).

V skutočnosti nie je indukčnosť cievke pri pohybe kotvy konštantná, čo ovplyvní priebeh prúdu i (t) behom príťahu i odpadu kotvy. Prejaví sa to deformáciou pôvodne exponenciálnych závislostí i(t).

Mnohé aplikácie vyžadujú čo najkratšie doby príťahu tp a odpadu kotvy tod elektromagnetického prevodníka. Možnosti skrátenia doby príťahu a odpadu kotvy sú:
-zväčšenie vstupnej energie po dobu príťahu. Realizuje sa zväčšením napájacieho napätia po obmedzenú dobu
-zväčšenie účinnej plochy S pólových nástavcov prevodníkov. Musí byť rešpektované vo fáze návrhu prevodníka
-dosiahnutie veľkej magnetickej indukcie B ( návrh budiacej cievky s veľkým súčinom počtu závitov a prúdu a voľba materiálu s vhodnými magnetickými vlastnosťami).
-tiež pri návrhu prevodníka.

Pre všetky tieto opatrenia zostáva elektromagnetický prevodník typu elektromagnetu relatívne najpomalším členom z elektronických blokov mechatronickej sústavy.

Silové účinky magnetického poľa solenoidu na feromagnetické jadro

Rovnakosmerným prúdom napájaný solenoid s osovo pohyblivým feromagnetickým jadrom je najjednoduchším elektromechanickým akčným členom. Po pripojení solenoidu na napätie je jadro vťahované do miest s najväčším magnetickým poľom. Pri odpojení zdroja od solenoidu je potrebná ochrannou diódou skratovať indukované napätie, ktoré môže dosiahnuť značné hodnoty. Z praxe je známy skôr prípad opačný akčnému účinku, kde pohyb jadra vyvoláva zmenu vlastnej indukčnosti cievky a je využitý v senzoroch polohy.

4.1.1.2 Elektrické motory ako akčné členy
- sú elektromagnetickou väzbou medzi statorom a rotorom. V súčasnosti sú konštrukčne vyzrelé, spoľahlivé a veľmi rozšírené jednotky elektrických pohonov, ktoré sa skladajú z meniča, motoru, spojky a pracovného stroja. Podľa spôsobu vyvodenia otáčavého pohybu rotoru sa dajú elektrické motory deliť na asynchrónne (indukčné), synchrónne, rovnakosmerné, rovnakosmerné s elektronickou komutáciou (bezkartáčové), ďalej korkové, striedavé komutátorové a rekultančné, všetky obvykle s rotačným výstupom. Lineárne motory majú posuvný pohyb založený na rovnakých princípoch ako u vyššie uvedených motorov s rotačným výstupom.

Elektrické motory vo funkcii akčného členu realizujú elektromagnetický prevod na konci reťazca spracovávania informácie, kde je potrebný výkonový zásah do regulovanej sústavy.
Ak sú doplnené spätnými väzbami. Hovoríme o regulačných pohonoch alebo o servopohonoch.

4.1.1.2.1 Asynchronné motory s frekvenčným riadením s pulzne- šírkovou moduláciou (PWM)
Frekvenčné riadenie otáčavej rýchlosti asynchrónnych motorov s kotvou nakrátko predstavuje efektívny spôsob riadenia otáčok motoru, ktorý vychádza z nemnoho možností dosiahnutia zmeny otáčok:
n= ns (1-s)= f1/p (1-s)
ns- synchronné otáčky
s- sklz
f1- kmitočet napájacieho napätia motoru
p- počet pólových dvojíc statoru

podľa tohto vzťahu sa dá ovplyvniť synchrónnu otáčavú rýchlosť magnetického poľa motoru a teda aj otáčavú rýchlosť hriadeľa motoru zmenou kmitočetu f1 napájacieho napätia. Deje sa tak vo frekvenčnom meniči pri súčasnej úprave napájacieho napätia. To je treba meniť tak, aby boli zachované magnetické pomery v motore. Obvykle sa pri riadení tohto typu uplatňuje podmienka U1/f1= konst, tzn. Že zníženie kmitočetu musí odpovedať i znížené napájacie napätie a naopak. Ustálené riešenia moderných frekvenčných meničov používajú pulzne- šírkové modulácie (PWM) napájacieho trojfázového napätia motoru.

Prvým blokom frekvenčného meniča je neriadený usmerňovač, napájaný z jednofázovej siete (u asynchrónnych motorov s kotvou nakrátko a výkonom na hriadeli pribl. do 2 kW) alebo z 3f siete pre väčšie asynchrónne motory s kotvou nakrátko. Nasleduje rovnakosmerný medziľahlý obvod a potom blok označený ako striedač.

Pulzne- šírková modulácia predstavuje spôsob spracovania výkonocého signálu striedačom. Pri tomto spôsobe je rovnakosmerné napätie medziľahlého obvodu v striedači premenené na sériu impulzov rovnakých amplitúd, kladných aj záporných, nerovnakej šírky. Pre každú fázu musí striedač vyrobiť neharmonický priebeh napätia fázovo posunutý proti predchádzajúcej fáze o 120 stupňov. Získame tak výkonové signály s periódou T1= 1/f1. Asynchrónny motor ich potom prijíma ako trojfázové mechanické napätie U1 s kmitočetom f1. Striedač nie je osadený tyristormi, ale výkonnými tranzistormi IGBT (bipolárny tranzistor s izolovanou elektródou), riadenými procesorom frekvenčného meniča.

V režime brzdenia menič obvykle neumožňuje úplnú rekuperáciu (návrat) energie do siete. V rekuperačnom režime mení energiu na teplo na záťažnom rezistore rovnakosmerného medziľahlého obvodu.

Procesor meniča komunikuje s nadradeným riadiacim počítačom a môže prijímať a spracovávať analógové i digitálne signály vstupných veličín. Mikroprocesor je programovaný podľa užívateľského menu z klávesnice.

Vzájomná funkčná previazanosť elektrotechniky a výkonovej elektroniky s obvodmi číslicového riadenia je v súčasnosti vysoká. Celý menič vychádza veľmi kompaktne a niektorí výrobcovia ho dokonca v určitých prípadoch umiestňujú na teleso motoru (Siemens). Pri frekvenčnom riadení asynchrónneho motoru s kotvou nakrátko získame úplne odlišné vlastnosti, ako má samotný motor. Momentové charakteristiky sa pri splnení podmienky U1/f1= konst. s kmitočetom posúvajú a majú konštantný maximálny moment. Je to dané tým, že zmenou kmitočetu f1 meníme synchrónne otáčky asynchrónneho motoru. Pomocou užívateľského menu a klávesnice meniča sa dajú dosiahnuť definované priebehy a zmeny otáčavej rýchlosti asynchrónneho motoru. môžeme napr. dosiahnuť lineárny nárast otáčavej rýchlosti , konštantnú rýchlosť i lineárne zníženie rýchlosti v závislosti na čase.

Výsledné riešenie je prínosom do mechatronických systémov. V oblasti rozbehu a riadenia mechanickej uhlovej rýchlosti motoru má pohon vlastnosti , ktoré asynchrónny motor s kotvou nakrátko mať nemôže.

Vektorové riadenie asynchrónneho motoru s kotvou nakrátko
Ide o režim riadenia upraveného asynchrónneho motoru s kotvou nakrátko pomocou pokročilého frekvenčného meniča. Vektorové riadenie môže byť realizované bez spätnej väzby alebo so spätnou väzbou so senzormi. V druhom prípade procesor meniča vyžaduje signál o polohe rotoru, magnetickom toku a odoberanom prúde. Procesor pracuje s matematickým modelom stroja, do ktorého je treba zadať tiež vhodné konštanty zdroja. Radu ďalších parametrov si procesor spočíta sám. Procesor prevádza číslicové spracovanie signálu o skutočnom stave a nastaví kmitočet f1 a veľkosť U1 napájacieho 3f asynchrónneho motoru tak, aby boli dosiahnuté požadované výstupné parametre stroja. Regulácia elektrického pohonu tohto typu je charakterizovaná vysokou požadovanou rýchlosťou odozvy. V intervale desiatok µs rieši procesor meniča sústavu diferenciálnych rovníc, predstavujúcich matematický model stroja. Požadovaná presnosť nastavenia polohy rotoru takého akčného člena je vysoká a predstavuje zlomky percent. Ako servopohony môžu takto riadené asynchrónne motory nahradiť iné typy pohonov v rade aplikácií.

Príkladom je rada kompaktných, vodou chladených asynchrónnych motorov s kotvou nakrátko firmy Siemens (1PH2- 1PH4) riadených frekvenčným meničom SIMODRIVE. Výkony motorov tejto rady sú od 3,7 kW do 100 kW, otáčky až 12000 1/min. Servopohon je vybavený meraním otáčok a polohy rotoru. Obdobným riešením vynikajú asynchrónne servomotory IndraDyn rady A, ktoré sa vyrábajú ako vzduchom či vodou chladené motory s výkonmi 1 – 100 kW a maximálnymi otáčkami až 10000 1/min (závisí od typu motoru). Asynchrónny servomotor je vybavený jednootáčkovým či viacotáčkovým absolútnym enkodérom zaisťujúcim vysoké rozlíšenie polohy rotoru a brzdou.

Moderné, frekvenčne riadené asynchrónne motory s kotvou nakrátko majú ošetrené i rozbehové pomery. Ako je známe, pri rozbehu asynchrónneho motoru vzniká na prívodoch veľký prúdový ráz. Ten je treba zmenšiť a záberový moment motoru pokiaľ možno zväčšiť. Klasické riešenia tohto problému viedli ku konštrukcii asychónneho motora s kotvou krúžkovou, vyznačujúcou sa 3f vinutou kotvou, vinutím rotora zapojeného do hviezdy a vyvedeným na krúžky. Na tie doliehajú kefy a sú pripojené spúšťacie odpory. Zväčšením reálneho odporu každej fázy rotora dosiahneme zväčšenie záberového momentu pri súčasnom znížení záberového prúdu. Niektoré riešenia spúšťania asynchrónneho motora s krúžkovou kotvou využívajú zmeny impedácie rotorového obvodu spúšťača. Motory s kotvou nakrátko majú problém obmedzenia zapínacieho prúdového rázu klasicky riešený iným spôsobom. Pri malých motoroch je to rozbeh „hviezda-trojuholník“, pri ktorom je najprv statorové vinutie zapojené do hviezdy a až po rozbehu je prepojené, obvykle automaticky, do trojuholníka. Riešenie zníži záberový prúd na tretinu, ale zníži tiež záberový moment. Zvláštnym riešením rozbehu sú motory s dvojitou klietkou alebo s klietkou vírovou, samozrejme za cenu odpovedajúcu zložitejšej konštrukcii motora a nízkej sériovosti vo výrobe. Toto usporiadanie využíva zmeny impedácie rotorovej klietky v priebehu rozbehu motora. V posledne dobe sa pre rozbeh asynchrónneho motora s kotvou nakrátko využíva tzv. soft-štartér alebo už zmienený frekvenčný menič. Soft-štartér je menič napätia, ktorý upravuje pomocou výkonných spínacích prvkov (triakov) strednú hodnotu napätia na motore, a tým ovplyvňuje sklz.

Frekvenčne riadené asynchrónne motory majú dominantné postavenie medzi priemyslovými aplikáciami elektrických pohonov.