Гибкие производственные системы, 6 страница

<? о 9

U_c = const

т* = const Ч

Следовательно, напряжение на статоре двигателя должно изменяться не только в зависимости от частоты питающей сети (т. е. в зависимости от желаемой частоты вращения), но и от нагрузки.

В приводе подачи регулирование скорости производится

с постоянным максимально допустимым моментом нагрузки

М -М_и. и закон изменения напряжения упрощается:

U ^ин

—f- = -х-²- ⁼ const.

с сн

Семейство механических характеристик при регулировании с постоянным моментом представлено на рис. 31, а.

В приводе главного движения требуется регулирование скорости с постоянной максимально допустимой мощностью. В этом случае момент изменяется обратно пропорционально частоте вращения, и тогда зависимость между частотой питаю­щей сети и напряжением будет выражена так: и ^ин

7?Г^Гн^{= C}°^nSt-

Семейство механических характеристик при регулировании с постоянной мощностью изображено на рис. 31, б.

Таким образом, законы управления двигателем перемен­ного тока значительно сложнее, чем двигателем постоянного тока.

Преобразователи, применяемые для частотного управления асинхронным двигателем, могут строиться по различным схе­мам. Наибольшее распространение получил преобразователь, содержащий управляемый выпрямитель и инвертор.

В выпрямителе напряжение переменного тока питающей сети U_c постоянной частоты f\ преобразуется в напряжение постоянного тока U_d, величина которого может изменяться (рис. 32, а). В инверторе напряжение постоянного тока преоб­разуется в напряжение переменного тока требуемой частоты.

Таким образом, в рассматриваемом случае напряжение регулирует­ся в выпрямителе, а частота — в инверторе.

Работа регулируемого выпрямителя ничем не отличается от аналогичного в приводе постоянного тока.

Инвертор представляет собой набор полупроводниковых ключей — переключателей, которые коммутируют обмотки двигателя.

Схематично принцип действия инвертора переключения обмоток статора показан на рис. 32, б. Инвертор собран по однофазной схеме; его нагрузкой является одна из трех фаз обмотки асинхронного двигателя. Направление тока в обмотке изменяется с помощью попарно работающих ключей, подсое­диняющих ее к выходу выпрямителя на напряжение U_d. При 6В

° \,vti ~\vrz

U_d=var f = 0

U,

VT3

,vn

i

9

-r₂ = var U₂ = var

Рис. 32. Принцип частотного уп­равления:

а — схема автономного инвер­тора, б — схема переключения обмотки статора

работе ключей V-T1 и VT4 по обмотке протекает ток, направ­ление которого показано сплошной линией. При работе клю­чей VT2 и VT3 направление тока меняется на противоположное (пунктирная линия).

При таком способе управления напряжение, прикладывае­мое к обмоткам статора асинхронного двигателя, имеет форму, существенно отличную от синусоиды, что приводит к повышен­ному нагреву двигателя и неравномерности его вращения.

Схема трехфазного автономного инвертора "складывается" из трех схем, аналогичных рис. 32, б. Для трехфазного инвер­тора необходимо шесть ключей. Работа ключей должна строго согласовываться во времени, чтобы напряжения на отдельных обмотках статора были сдвинуты по фазе на 120.

Применяют автономные инверторы напряжения и авто­номные инверторы тока. Они отличаются не только конструкци­ей, но и режимом работы.

Автономный инвертор напряжения является источником напряжения, его внутреннее сопротивление должно быть мало и при любой нагрузке его выходное напряжение должно быть постоянным. Свойства автономного инвертора тока близки к источнику тока, ток в нагрузке остается постоянным при любом ее изменении. В настоящее время автономные инвер­торы напряжения применяют в электроприводах с небольшим диапазоном изменения скорости, а инвенторы тока - при боль­ших диапазонах.

^Щг^М

Электроприводы, содержащие инвертор тока, принято называть инверторами с частотно-токовым управлением.

Большинство инверторов с частотно-токовым управлением строится на транзисторах.

Любая величина, изменяющаяся по синусоидальному зако­ну, характеризуется амплитудой, фазой и частотой. Коль скоро она характеризуется величиной и фазой, то можно говорить о векторе. В нашем случае эти понятия применяются к ряду параметров (току двигателя, его магнитному потоку и напря­жению, питающему его обмотки) инвертора и двигателя, изме­няющихся в процессе регулирования скорости.

Система трехфазных токов, протекающих через двигатель. после соответствующих преобразований может быть приведена к двухфазной. Один из векторов этой системы токов /_1с/ сов­падает по направлению с вектором потока ротора.

При регулировании скорости с постоянным моментом на­магничивающий ток, а следовательно, и поток ротора \j/₂ ос­таются все время постоянными. В этом случае момент асин­хронного двигателя выражается формулой М = Сф₂^д> где С — постоянная величина, зависящая от параметров двигателя. Эта формула подобна формуле момента двигателя постоян­ного тока, а значит, и систему управления приводом при час­тотно-токовом управлении можно строить так же, как и в при­воде постоянного тока; На рис. 33 представлена структурная схема регулируемого электропривода с частотно-токовым управлением. Рассмотрим систему частотного управления при­водом.

Схема управления содержит регулятор скорости PC и регу­лятор тока РТ, включенные последовательно. Функция регуля­тора скорости такая же, как и в приводе постоянного тока, — сформировать сигнал, пропорциональный заданному значению тока. Но в отличие от привода постоянного тока, где для этого достаточно только задать модуль, в приводе переменного тока надо знать модуль, фазу и частоту, так как задается синусои­дальный сигнал. Для задания модуля \1_Х\ необходимо знать его составляющие l^_d и /_]{?. Первая составляющая /_1с/ задается внешним устройством, вторая /.,„ формируется пропорциональ­но величине скольжения. Модуль тока определяется в соответ­ствии с равенством

•'i' ⁼^'\d ^{+ ,}]g' ^а*^аза V=arctg -j^-.

Эти процедуры производятся в регуляторе вектора токаЯбГ.

Для определения частоты тока статора Wj суммируют частоту скольжения w₂, равную частоте тока ротора, и частоту 70

вращения вала двигателя Z_nSl, где Z_n — число пар полюсов датчика ДП, формирующего этот сигнал. Частоту скольжения w₂ и частоту вращения вала Z_rSl определяют блоками формиро­вания частоты скольжения ФЧС и формирования частоты вра­щения ФЧВ.

Таким образом, на выходе регулятора вектора тока заданы вектор тока 1_Х и его частота Wj.

В регуляторе фазных токов РФТ происходит преобразование токов двухфазной системы в токи i_A и i_B трехфазной системы (третий ток получается как разность первых двух).

В регуляторе тока РТ заданные токи /_А и г_в сравниваются с истинными (по сигналам, получаемым от датчиков тока, установленных в двух фазах); их разность после соответствую­щих преобразований поступает в преобразователь частоты ПЧ в виде управляющего сигнала.

В соответствии с этим сигналом силовая часть транзистор­
ного преобразователя (на рис. 33 не показан) частоты, работа
которого основана на принципе широтно-импульсной мо-

дуляции, формирует токи синусоидальной формы требуемой частоты в обмотках асинхронного двигателя. Такой алгоритм управления дает возможность создать регулируемый электро­привод с асинхронным двигателем, имеющим высокие стати­ческие и динамические характеристики.

ГА

Рис. 33. Структурная схема электропривода с частотным упревлением

Серийно выпускаемое комплектное устройство типа "Раз­мер" состоит из нескольких электроприводов с частотно-токо­вым управлением, которые устанавливаются в механизмы подач и главного движения. Приводы подач изготовляются на номинальные моменты 7—70 Нм, максимальную частоту вращения 1500 об/мин и имеют диапазон регулирования 10 000;

приводы главного движения имеют максимальную мощность 18 кВт и максимальную частоту вращения 4500 об/мин. По­лоса пропускания привода составляет 100 Гц.

10. Электропривод с вентильным двигателем

В механизмах подач станков с ЧПУ и в роботах в последнее время получил широкое распространение привод с вентильным электродвигателем, обладающий рядом технико-экономических. показателей, превосходящих аналогичные для других систем привода.

Вентильным называется двигатель, в котором коммутация секций (фаз) обмотки статора осуществляется с помощью полупроводникового коммутатора, управляемого сигналами датчика положения ротора.

Датчик положения ротора служит для позиционной обрат­ной связи в зависимости от положения магнитной оси ротора по отношению к эквивалентной магнитной оси статора. Комму­татор вместе с датчиком положения ротора выполняет те же функции, что и коллектор в двигателе постоянного тока.

Рассмотрим работу двигателя постоянного тока, так как его принцип действия аналогичен вентильному двигателю. Двигатель постоянного тока (рис. 34) имеет неподвижную систему возбуждения и щетки, скользящие по коллектору вра­щающегося якоря. Щеточно-коллекторный узел двигателя постоянного тока служит для позиционной связи ротора и

Рис. 34. Принцип действия двигателя постоянного тока: ОВ — обмотка возбуждения, ОЯ — обмотка якоря, К — коллектор, Щ — щетка, F_g, Ff — намагничивающие силы статора и ротора соответственно 72

статора таким образом, чтобы угол между намагничивающей
силой статора F_g и ротора F_f был равен 90° эл. Тем са-

мым достигается максимальный вращающий момент, развиваемый двигателем при данном потоке возбуждения и токе якоря, и устойчивая работа двигателя при изменении питающего напряжения, момента нагрузки и других возмуще­ниях. Приближенно можно принять, что момент, развиваемый двигателем, равен М = kF_aF_fslr\ (F_aF_f) = кF_gF_f sin v, где F_f — поток возбуждения обмотки статора, F_a — поток, образуемый токами обмотки ротора.

Выше был рассмотрен двигатель постоянного тока с боль­шим количеством секций, у которого угол v между намагни­чивающей силой статора F_а и ротора F_f, как указывалось, равен 90 эл. Вентильный двигатель ближе к двигателю постоянного тока, у которого малое число секций (угол v отличен от 90 эл. и может изменяться в зависимости от числа секций). У трех-секционного двигателя постоянного тока, модель которого представлена на рис. 34, вектор намагничивающей силы якоря колеблется относительно среднего положения F_a на угол у_с ~ —£- — -\, где S. — число секций двигателя.

В элементарном двигателе, представляющем собой рамку с током в магнитном поле, возможны четыре варианта взаим­ного расположения магнитных осей рамки и поля (угол и):

v= 90° эл., М =/W_max;

v= 180° эл., М =0;

v= 270° эл., М = М_тах;

v =360° эл., М =0.

Если вентильный двигатель представить в виде упрощен­ной модели, содержащей неподвижную обмотку статора в виде одного витка и ротор, собранный из постоянных магнитов, то для этого двигателя характерны те же четыре варианта взаим­ного расположения магнитных осей ротора и статора.

Вал двигателя соединен с валом датчика положения ротора; датчик состоит из двух неподвижных чувствительных элементов ЧЭ1 и ЧЭ2 и сектора, вращающегося на валу и имеющего угол 180° эл. В зависимости от взаимного расположения чувствитель­ных элементов и сектора включаются пары транзисторов VT1—

— VT1 и VT2 — VT2 мостового коммутатора, питающего ста-
торную обмотку (рис. 35, а). В положение / по команде ЧЭ1
включены транзисторы VT1 — VT1' и ток протекает в направле­
нии, показанном на рисунке. Так как v = 90°эл.,то эдсе и вра­
щающий момент М максимальны. В положении // транзисторы
VT1 — VT1' отключаются и включаются транзисторы VT2 —

— VT2'. ток меняет свое направление на противоположное,
v = 180° эл, е = 0 и М =0. В положении /// v =270° эл. М~М_тах

г к

Рис. 35. Принцип действия вентильного электродвигателя:

а — переключение обмоток в четырех точ­ках положения ротора,

ЧЭ2

491

и e=e_max, направление вращающего момента осталось тем же, что и в положении ротора /, так как изменилось на­правление тока, так как включены транзис­торы VT2 - VT2'. И наконец, в положении IV v = 360° эл., М = = 0 и е = 0. На рис. 35, б приведены вре­менные диаграммы вращающего момента М, противо-эдс е и тока / в предположе­нии, что индукция по окружности изменяет­ся синусоидально.

Анализ этих кривых приводит к следующим выводам:

кривая момента име­ет точки М — О и носит пульсирующий характер; зто может исключить воз­можность запуска под на­грузкой и приведет к не­равномерности вращения;

кривая противо-здс носит пульсирующий ха­рактер, что ухудшает энер­гетику;

кривая тока имеет пульсации, причем макси­мум тока равен пуско­вому.

Для уменьшения пульсаций момента число секций надо увеличить. Работу двухсекционного двигателя с двухмостовым коммутатором можно рассматривать как работу двух дви­гателей на один вал (рис. 36, а). Датчик положения ротора имеет две пары чувствительных элементов ЧЭ1 — ЧЭ2 и ЧЭЗ — ЧЭ4, которые коммутируют транзисторные пары VT1 — VT1, VT2 - VT2' и VT3 - VT3', VT4 - VT4'. Отметим, что угол 74

/^\^ьs	2%	3%	t
ж	2л	ЗТс	t

зт,

5)

Рис. 35. Продолжение

б — временные диаграммы

сектора (угол проводимости каждой пары) равен 180° эл. На осциллограммах (рис. 36, б) представлены зависимос­ти моментов и токов в каждой из секций от угла поворота ротора (индекс I —в первой, II — во второй) и суммарного мо­мента на валу двигателя M_t__it. Как следует из рассмотрения кривых, пульсации момента существенно уменьшились, а пуль­сации тока (эдс) остались неизменными.

В отечественной литературе вентильные двигатели называют син­хронными двигателями с постоянными магнитами на роторе и полу­проводниковым коммутатором или бесконтактными двигателями по­стоянного тока.

Конструктивно вентильный двигатель напоминает синхрон­ную машину. В статор, набранный из листового железа, уложе­на трехфазная обмотка с числом полюсов обычно 2р = 6 или 2р = 8. На роторе двигателя крепятся постоянные магниты. Двигатель имеет датчик положения ротора и тахогенератор (контактный или бесконтактный). Кроме того, двигатель может иметь встроенный тормоз и датчик перемещения. На рис. 37 представлен разрез двигателя. Назначение датчика по­ложения ротора, тахогенератора и тормоза такое же, как и в двигателях постоянного тока.

Статор вентильного двигателя конструктивно ничем не отличается от статора машины переменного тока. Однако выбор

+ о

м_гь

1Л

	2К	3%	ч%	&
/^\s-^S~\/				&

Рис. 36. Двухсекционный вентильный двигатель с двухмостовым

коммутатором:

а — схема, б — осциллограммы

схемы обмотки имеет принципиальное отличие. Чтобы получить равномерное вращение ротора в асинхронном двигателе, об­мотку укладывают таким образом, чтобы кривая индуктиро­ванного напряжения имела синусоидальную форму по расточке статора. В вентильном двигателе кривая индуктированного напряжения имеет трапецеидальную форму, длительность гори­зонтальной части которой составляет 120 эл.

На сердечнике ротора вентильного двигателя, набранном из листовой стали, крепятся пластины из магнитного материала. В настоящее время наибольшее распространение получили

Рис. 37. Вентильный двигатель:

а — продольный разрез, б — поперечный разрез; 7 — тормоз, 2 обмот­ка статора, 3 — пакет статора, 4 — ротор, 5 — тахогенератор, 6 — ДПР, 7 — корпус двигателя, 8 — пакет ротора, 9 — магниты ротора

два типа магнитов: самарий-кобальтовые, или редкоземельные, и ферритовые.

Лучшими характеристиками обладают магниты из редко­земельных материалов; их магнитная индукция и коэрцитив­ная сила значительно выше ферритовых магнитов. Если ротор вентильного двигателя выполнен из редкоземельных магнитов, обладающих более высокой удельной энергией, то он имеет меньший диаметр (по сравнению с ферритами); это значитель­но снижает момент инерции.

В настоящее время как в СССР, так и за рубежом ведут­ся работы по созданию магнитов типа неодим-железо-бор, харак­теристики которых сравнимы с характеристиками редкоземель­ных магнитов, но стоимость их существенно меньше.

По сравнению с двигателем постоянного тока вентильный двигатель имеет следующие достоинства:

высокую надежность, независимость максимального момента от скорости, меньший момент инерции, более широкий диапазон регулиро­вания за счет повышенной максимальной частоты вращения, лучшие массогабаритные показатели, хороший отвод тепла (так как обмотка расположена на статоре), более высокий кпд и меньший уровень шума из-за отсутствия щеток, нечувствительность к окружающей среде, воз­можность выполнения обмотки на высокое напряжение, что позволяет уменьшить габаритные размеры преобразователя.

К недостаткам вентильного двигателя следует отнести его более высокую стоимость.

По сравнению с асинхронным двигателем, питаемым от преобразователя частоты, достоинства вентильных двигателей следующие: лучший кпд ввиду отсутствия потерь на скольже­ние, малый момент инерции ротора вследствие того, что потери в нем отсутствуют и линейные скорости, выбранные из условий охлаждения, могут быть меньше; большее быстродействие и лучшая управляемость, так как вентильный двигатель пред­ставляет собой инерционное звено первого порядка, а асин­хронный — второго.

Недостаток вентильных двигателей — невозможность регулирования потока возбуждения (режим работы с постоянной мощностью). Но это важно только в приводах главного движения станков.

По сравнению с синхронным двигателем, питающимся от преобра­зователя частоты, преимущества вентильного двигателя таковы: нет явления "опрокидывания" при росте нагрузки; нет изменения угла нагрузки при изменении момента ("качания" машины).

Перечисленные преимущества вентильных двигателей по сравнению с другими типами двигателей предопределили широ-78

кую область применения их в механизмах подач станков с ЧПУ и в роботах.

Не останавливаясь подробно на узлах вентильного двигате­ля, общих с двигателем постоянного тока, рассмотрим лринцип действия датчика положения ротора и бесконтактного тахо-генератора.

Датчик положения ротора служит для определения взаим­ного углового положения ротора и статора и выдачи команд для управления схемой коммутации обмоток. Датчики могут быть дискретного или аналогового типа. Датчики дискретного типа выдают сигналы постоянной амплитуды, длительность которых определяется угловым размером сектора якоря. Аналоговый датчик выдает непрерывный сигнал обычно с перио­дом 27Г град.

Распространение получили датчики дискретного типа, к которым относятся гальваномагнитные, индукционные и опти­ческие.

Датчики индукционного типа сравнительно просты и деше­вы, надежны и малогабаритны, но конструктивно они сложнее оптических. Наиболее широко применяются оптические датчи­ки. Они имеют сравнительно простую конструкцию якоря в виде диска с прорезями, что предопределяет их надежность в эксплуатации.

Гальваномагнитные датчики (датчики Холла, магнитоди-оды и магниторезисторы) вырабатывают сигналы малого уровня и с малой крутизной фронта. Кроме того, встройка таких дат­чиков в двигатель затруднена. По этим причинам эти датчики нашли ограниченное применение. Оптические датчики конструк­тивно могут быть совмещены с датчиком перемещения; для этого на диск наносят сектора для датчика положения и риски для датчика перемещения. Не останавливаясь подробно на конструкции оптического датчика (она аналогична рассмот­ренному ранее ВЕ-178), рассмотрим принцип формирования сигналов управления. Пусть алгоритм управления двигателя таков, что ток одновременно протекает только через две его фазы (угол проводимости равен 120 эл.).

Для нормального функционирования силовой части приво­да, представленной на рис. 38, необходимо на транзисторы VT1 — — VT6 подавать сигналы, длительность которых определяется частотой вращения вала двигателя, но всегда составляет 120 эл. Последовательность включения определяется направлением вращения.

На рис. 39, а представлен вид диска и чувствительных эле­ментов ЧЭ1, ЧЭ2 и ЧЭЗ датчика положения ротока для шести-полюсного вентильного двигателя.

Рис. 38. Cunosan часть вентиль­ного привода

ЧЭ2

^Jvn

EEtU

i i m i

tnl_r=L

i n_

l_i_f

id H H

^jvtz

S)

Jan

Рис. 39. Принцип формирования сигналов управления вентильным дви­гателем:

а — вид диска и чувствительных элементов датчика положения ротора, б — диаграммы сигналов управления

Чувствительные элементы смещены друг относительно друга на 120° эл. Сегменты диска имеют угол 180° эл. При вращении диска, укрепленного на валу датчика перемещения, по трем каналам формируются основные сигналы U_A, U_B, U_c, имеющие скважность, равную двум, и сдвинутые по фазе друг относительно друга на 120° эл. После ряда преобразований формируются сигналы управления транзисторами VT1 — VT6.

На рис. 39, б представлены диаграммы основных (U_A, ^иВ- ^иС^ ^и инверсных сигналов (U_A, U_B, U_c), поступающих с датчика положения ротора, а также сигналов U_VTJ — U_VT6, управляющих транзисторами 1/77 — VT6 в соответствии с ло­гическими функциями:

U_t„„ = и_л U_R; U_UTR = U_BU_C; (/„„ = U'_£U_д.

^JVT6

'VT4

^JA В'

Как следует их осциллограмм, сигналы управления группой транзисторов 1/77, 1/73 и VT5 (VT4, VT6 и VT2) сдвинуты друг относительно друга на 120°эл., угол проводимости каждо­го транзистора — 120° эл., а сдвиг фаз между управляющими сигналами двух транзисторов в одном плече — 180 эл. (V77 и VT4; VT3 и VT6; VT5 и VT2). 80

Следует отметить, что представленный способ формиро­вания сигналов управления транзисторами не является един­ственным Существуют конструкции датчиков положения ро-тооа, в которых сдвиг фаз между ЧЭ1, 432 и ЧЭЗ составляет 60° эл. Датчик подобной конструкции при необходимости позволяет распознавать направление вращения. Подобные дат­чики иногда коммутируют обмотки не только двигателя, но и бесконтактного тахогенератора, построенного по принципу вентильной машины.

Иногда в качестве датчиков положения ротора используются ре-зольверы, в которых совмещаются функции датчика перемещении.

В этом случае статор резольвера жестко ориентируется относительно магнитных осей статора вентильного двигателя.

Наряду с датчиком положения ротора электропривод с вентильным двигателем имеет еще один специфический эле­мент - бесконтактный тахогенератор. Его появление обус­ловлено стремлением увеличить надежность привода, исклю­чив подвижный контакт (коллектор) не только в двигателе, но и в тахогенераторе. По своим техническим характеристи­кам он не уступает' тахогенератору постоянного тока, ранее применяемому в широкорегулируемом электроприводе.

Ранее известные бесконтактные тахогенераторы не приме­нялись в широко регулируемых электроприводах из-за ряда их недостатков.

Асинхронные тахогенераторы, обладая высокой линеи-ностью выходной характеристики, имеют сравнительно малую крутизну выходного напряжения (не выше 10 В/1000 об/мин) и" остаточное напряжение 50 мВ. Последнее обстоятельство не позволяет применить их в приводе с диапазоном регулиро­вания частоты" вращения даже менее 100 (полезный сигнал 100 мВ). Синхронные тахогенераторы конструктивно просты, не имеют остаточного напряжения и зоны нечувствительности. Однако частота выходного напряжения пропорциональна ско­рости вращения (для двухполюсной машины при п = 0,1 об/мин, f = 0,017 Гц). Сглаживание сигналов таких сверхнизких частот для получения напряжения постоянного тока вносит запазды­вание сигнала по времени, в результате этого построить сис­тему привода с приемлемыми динамическими качествами не представляется возможным. Применение же специальных фазо-чувствительных схем обработки сигнала, сохраняющих все преимущества синхронных тахогенераторов и не вносящих запаздывания, чрезвычайно сложны, так как приходится ус­танавливать на вал генератора дополнительные измерительные устройства,

Бесконтактный тахогенератор, использующий принцип вен­тильного двигателя, не имеет отмеченных выше недостатков. Он позволяет получить высокие статические и динамические характеристики широкорегулируемого электропривода.

Бесконтактный тахогенератор, созданный по принципу вентильного двигателя, имеет те же основные элементы, что и двигатель. Специфические требования, предъявляемые к выходным характеристикам тахогенератора, привели к ряду изменений его конструкции по сравнению с двигателем. Тахо-генераторы обычно имеют два полюса, в то время как число полюсов у двигателя равно 2р =6 + 8.

Воздушный зазор между ротором и статором у тахогенера­тора увеличен по сравнению с двигателем, что позволяет устра­нить зубцовые пульсации в кривой выходного напряжения тахогенератора. Так как через обмотку тахогенератора проте­кают малые токи, не приводящие к размагничиванию системы возбуждения, то в последней использованы сравнительно деше­вые магниты "альнико". Они более стабильны и имеют более высокую индукцию и меньшую коэрцитивную силу, чем редко­земельные магниты, устанавливаемые в вентильных дви­гателях.

Дата добавления: 2015-10-21