Гибкие производственные системы, 2 страница

К нагрузке

- +

!'-v^^r-J

Рис. 7. Схемы (а — д) однокомп-яектных тиристорных преобразо­вателей:

а — однофазный нулевой двух-полупериодный, б — однофазный мостовой, в — трехфазный нуле­вой, г — трехфазный мостовой, д — шестифазный нулевой Рис. 8. Диаграммы напряжений для двух- (а), трех- 16) и шести-фазных (в) тиристорных преоб­разователей:

Оо — yrori отпирания, отсчитывае­мый от начала синусоиды сило­вого анодного напряжения, О_п — угоп запирания, X — продолжи­тельность включения тиристора, 7 — угол естественного отпира­ния, О — угол отпирания, отсчи­тываемый от точки естественно­го отпирания, a - Oq — У — зг- штрихованная область соответ­ствует напряжению на нагрузке без противо-эдс

А	IM	к	\ V
«0	г		/
" ««"
	с)
"\	л	kkv
	v а	к£
к	^1 «п
	*

трех- и шестифазные схемы, по включению тиристоров — нуле­вые и мостовые. На рис. 7, а— д представлены нулевые одно-, трех- и шестифазные схемы преобразователей, а также мостовые одно- и трехфазные. Эти схемы нашли наибольшее применение в приводах. Для каждой из представленных схем, минимальный угол управления преобразователем a_mj_n, при котором выпрям­ленное напряжение, подаваемое на двигатель, имеет наибольшее значение, различен. Для расчета a_mjn необходимо иметь осцил­лограммы выпрямленного напряжения. Они представлены на рис. 8 с учетом разного числа фаз т (m=2,m=3v\m=Q).

Для любого числа фаз выпрямителя т — угол естественного отпирания определяется по формуле у=п/2 — тт/т.

Угол, отсчитываемый от точки естественного отпирания, обозначают а. Он связан с углом, отсчитываемым от начала синусоиды, соотношением a = a₀ — у. При наличии противо-эдс в нагрузке тиристоры не смогут открыться в точке естест­венного отпирания, так как при со_с г = у мгновенное значение положительного напряжения источника и = U_max sin у меньше отрицательной противо-эдс двигателя, что создает на аноде ти­ристора отрицательный запирающий потенциал.

Минимальный угол отпирания a_min тиристорного преобра­зователя, работающего на противо-эдс, определяется из условия равенства положительного мгновенного напряжения источника и отрицательной противо-эдс двигателя:

ТИП ^L'_m,«

max

Противо-эдс двигателя при максимальной скорости, соот­ветствующей минимальному углу регулирования, приблизи­тельно равна среднему значению выпрямленного напряжения

- гп/т ^Ud~JT { u_maxs\n(a₀₊G>t)dG>_ct.

где Тп — число фаз тиристорного преобразователя; 2nlm — максимальный угол работы тиристора.

С помощью этой формулы можно определить максимальное значение выпрямленного напряжения U_do при отпирании тирис­торов в точке естественного зажигания, соответствующей углу 7, и минимальный допустимый угол регулирования а_т1п. Зна­ние величины a_min необходимо для правильной настройки системы управления тиристорным преобразователем. Если угол управления а < a_min, то возможен аварийный режим рабо­ты преобразователя с выходом из строя силовых элементов-тиристоров. Отношение же U_do к t7_max позволяет сопоставить технико-экономические показатели тиристорных преобразовате­лей с разным количеством фаз т. В табл. 1 приведены значе-

7L<2Tc/m

i и

I

^{ния u}do/^Umax- ^amin ^и У Д^ля Д^ВУ*-» трех- и шестифазных тирис-торных преобразователей.

Таблица 1. Некоторые технико-экономические показатели двух-, трех- и шестифазных тиристорных преобразователей

, град

У, град

2/ТТс* 0,636 43 0

^/Цо*32 ^{56 30}

3 ^?2 60

⁶ ~^~ 0.955

Для правильного построения системы управления преобра­зователем необходимо знать угол управления, при котором выпрямленное напряжение (а следовательно, и скорость двига­теля) равно нулю: а₀ = 90° для m = 2, «₀ = 120° для m = 3 иа₀ =150° длят =6.

Интересно, что для всех трех случаев угол а одинаков и равен а = 90°.

Таким образом, мы определили диапазон изменения угла управления при изменении скорости от нуля до максимальной.

Статические и динамические характеристики тиристорного электропривода зависят от формы тока, протекающего через двигатель. Как было показано ранее (см. рис. 6), ток через тиристор и двигатель протекает даже в то время, когда напря­жение питания отрицательно, что объясняется действием эдс самоиндукции: e_L=L —jr-.

Продолжительность включения тиристора X зависит от энергии, запасенной в индуктивности нагрузки, и от числа фаз преобразователя. Если этой энергии недостаточно, то ток пре­кратится раньше, чем откроется следующий тиристор, и ток в нагрузке будет иметь разрывы — так называемый режим прерывистого тока (рис. 9, а). Чтобы уменьшить пульсации тока в нагрузке, следует увеличить ее индуктивность, установив последовательно с якорем двигателя дополнительный сглажи­вающий дроссель. При этом продолжительность включения тиристора увеличится и ток станет начально-непрерывным (рис. 9, б) или непрерывным (рис. 9, в).

С точки зрения экономичности электропривода и простоты управления им наиболее благоприятен непрерывный характер изменения тока, протекающего через двигатель.

Максимальная продолжительность включения Л равна периоду пульсации выходного (выпрямленного) напряжения тиристорного преобразователя:

Л = 2-п/ш. 20

h=\2%4m O_ct

-i—h

X=2%(m

Рис. 9. Ток в нагрузке в режимах прерывис­том (а), начально-не­прерывном (б) и не­прерывном (в)

Рис. 10. Механические характеристи­ки реверсивного (четырехквадрант-ного) электропривода

Рассмотренные выше тиристорные преобразователи допус­кали протекание тока через двигатель лишь в одном направ­лении, что при неизменном потоке возбуждения приводит к вращению его только в одну сторону. Электроприводы, устанав­ливаемые в станках с ЧПУ и роботах, способны вращаться в двух противоположных направлениях. Такие приводы принято называть реверсивными. Для того чтобы двигатель вращался в обе стороны, в преобразователе должны быть два комплекта тиристоров, каждый из которых дает свое направление тока, протекающего через двигатель.

Двухкомплектные приводы могут работать во всех четырех квадрантах (рис. 10).

В I и III квадрантах тиристорный преобразователь рабо­тает в выпрямительном режиме: скорость и момент (ток) имеют одинаковый знак; во II и IV квадрантах ток изменяет свое направление и преобразователь работает в инверторном режиме с отдачей энергии в сеть. При работе в IV квадранте направления момента и скорости также противоположны, знак тока соответствует выпрямительному режиму, преоб­разователь работает в режиме противотока.

Реверсивные двухкомплектные тиристорные преобразова­тели могут быть построены по двум принципам — с совместным или раздельным управлением. При совместном управлении открыты тиристоры обеих групп. При этом в каждый момент времени одна группа тиристоров работает в выпрямительном режиме, другая - в инверторном. Ток нагрузки протекает через

выпрямительную группу и определяется разностью напряжения на выпрямителе и противо-эдс двигателя:

1_B=(U_B-E)/R.

При торможении противо-эдс двигателя не может сразу уменьшиться вследствие инерционности маховых масс двигате­ля и нагрузки. Напряжение на выходе безынерционного тирис-торного преобразователя изменяется практически мгновенно.

Противо-эдс двигателя становится больше напряжения на выпрямителе; под действием противо-эдс тиристоры выпря­мительной группы запираются. Ток в двигателе изменяет свое направление и становится тормозным. Он протекает через инвер-торную группу под действием разности противо-эдс двигателя и напряжения на инверторе: /_и = (Е - ilJ/R. Упрощенная сило­вая схема реверсивного тиристорного электропривода при совместном управлении приведена на рис. 11.

Среднее значение выпрямленного напряжения для выпря­мительной и инверторной групп одинаково в том случае, если соблюдено равенство: а_и = 180° — а_в,^гДеа_и,а_в —соответственно углы отпирания тиристоров инвертора и выпрямителя, отсчиты­ваемые от точки естественного отпирания. В этом случае отсут­ствует постоянная составляющая в цепи уравнительного тока U_B — Др^ — Др2 - U_K, что является одним из условий нормаль­ного режима работы преобразователя. Это условие реализуется системой управления преобразователя.

Рис. 11. Упрощенная силовая схема реверсивного тиристорно­го электропривода 22

Рис. 12. Регулировочные харак­теристики реверсивного тирис­торного преобразователя

Так как система управления преобразователем имеет раз­брос выходных параметров, то реально для надежного исключе­ния постоянной составляющей уравнительного тока начальный угол регулирования на несколько градусов больше теоретичес­кого, при котором соблюдается равенство средних значений

напряжений на выпрямительной и инверторной группах. В приводе всегда поддерживается неравенство, при котором мо­дуль среднего напряжения (+) меньше модуля среднего на­пряжения (-).

Поэтому разность средних значений напряжений групп имеет направление, противоположное напряжению проводи­мости тиристоров в контуре уравнительного тока. Чем больше неравенство I U_cp+ I < I U_cp - I, тем меньше уравнительные токи, но тем больше зона нечувствительности в регулировочной характеристике преобразователя U_d = f(U_y) и тем мягче харак­теристика привода в зоне малых сигналов (где t/_y — сигнал управления на входе преобразователя).

На рис. 12 показаны регулировочные характеристики ревер­сивного тиристорного преобразователя, представляющие зави­симость выпрямленного напряжения U_d от сигнала управления U_y на входе преобразователя: для \U_CD + I = I U_cp - I кривая 7 и для I U_ep + К I U_cp - I

кривая 2.

Кривой^ соответствует а_нач+ =о_нач_ =90 эл. град.

Кривой 2 соответствует с_{нач +} > 90 эл. град.

Принцип действия двухкомплектного тиристорного элек­тропривода с совместным управлением рассмотрим на примере реверсивной однофазной двухполупериодной схемы преобразо­вателя как наиболее простой. На рис. 13, а представлена диа­грамма мгновенных значений выпрямленного напряжения вы­прямительной и инверторной групп тиристоров (соответствен­но вертикальная и горизонтальная штриховка) и соответствую­щая ей разность мгновенных значений при углах управления а_в=а_и =90°.

Угол управления, при котором среднее выпрямленное на­пряжение равно нулю, принято называть начальным о_нач- При регулировании скорости двигателя, питаемого от тиристорного преобразователя с совместным управлением, угол управления выпрямительной группы смещается влево от а_нач = 90, а ин­верторной — вправо.

На рис. 13, б представлены аналогичные графики, но для других углов управления: а_в = 45°, а_и = 180 — 45 = 135.

Величина среднего выпрямленного напряжения, как уже упоминалось, определяет скорость двигателя, а разность мгно­венных значений — величину тока, протекающего по уравнитель­ному контуру.

Как следует из рис. 13, а, среднее выпрямленное напряжение равно нулю, а амплитуда разности напряжений — наибольшая. На рис. 13, б среднее напряжение отлично от нуля, а форма раз­ностного напряжения и его амплитуда существенно отличаются от приведенного ранее.

Рис. 13. Кривые напряжений на выпрямителе, инверторе и урав­нительных реакторах: а-а_в=а_н=а_нач =90°; б-а_в=45° и а_н = 180 - 45 = 135°

Уравнительный ток между группами тиристоров ограничи­вается индуктивным сопротивлением дросселей Др1 и Др2. Вследствие вентильных свойств тиристоров уравнительный ток между группами однонаправленный — от катодной группы (+) к анодной (—).

В станках с ЧПУ и роботах применяются реверсивные ти-ристорные электроприводы постоянного тока как с совмест­ным, так и с раздельным управлением преобразователем. В последнем случае необходимы также два комплекта тиристоров, но в каждый момент времени работает только один из них. В таком случае отсутствует контур уравнительного тока и от­падает необходимость в применении уравнительных дросселей Др1 и Др2, что уменьшает расход меди и электротехнической стали. Однако наряду с этим ухудшаются энергетические харак­теристики двигателя и существенно усложняется алгоритм уп­равления преобразователем, что усложняет наладку и обслужи­вание электропривода. Технические характеристики обоих видов электроприводов примерно одинаковы. Поэтому выбор того или иного вида зависит от конкретных требований. 24

В состав тиристорного электропривода, как уже указыва­лось, помимо двигателя и преобразователя входят либо токо-ограничивающие реакторы, либо трансформаторы. Они служат для подключения преобразователя к питающей сети.

Токоограничивающие реакторы ограничивают токи корот­кого замыкания и снижают скорость изменения тока в нагруз­ке di/dt. Трансформатор служит для согласования напряже­ния сети с напряжением двигателя. В результате этого повыша­ется коэффициент мощности привода при больших скоростях и снижается амплитуда пульсаций напряжения на якоре двига­теля, что положительно сказывается на работе постоянных маг­нитов возбуждения и облегчает коммутацию двигателей. Кро­ме того, трансформатор так же, как и реакторы, ограничивает ток короткого замыкания и снижает скорость изменения тока в тиристорах, а также уменьшает влияние помех сети и других источников на работу привода.

Типовая функциональная схема регулируемого тиристор­ного электропривода показана на рис. 14.

На входе первого сумматора алгебраически суммируются сигнал задания скорости U₃ и сигнал отрицательной обратной связи по скорости U_occ с датчика скорости ДС. Эта разность

U, - U„

= U_BXpc поступает на вход регулятора скорости

PC. С выхода PC напряжение ^_ВЬ1Х р_с передается во второй сум­матор, где оно суммируется с сигналом отрицательной обратной связи по току U_OCT с датчика тока ДТ. Сигнал с выхода регуля­тора тока РТ подается на вход системы импульсно-фазового управления СИФУ. Величина и знак этого напряжения опреде­ляют величину и знак напряжения на выходе тиристорного пре­образователя Г/7, а следовательно, скорость £2 и направление вращения двигателя Дв.

Переменное сетевое напряжение через силовой трансфор­матор Г поступает на тиристорный преобразователь Г/7, выпол­ненный по принципу раздельного или совместного управления.

\то		т
4фС [~^7	о Цыхрт Utocuqig	\			SI
\J """"■ I X 1 '"'„LI!! ' 1	СИФУ		тп		дь
Щ PC hwti
	,!	хрт				и*	'	'/
Uocr	дт
осе 8ыхр
	дс

Рис. 14. Типовая функциональная схема тиристорного элек­тропривода

3-500

Управляющее напряжение на тиристоры подается от системы импульсно-фазового управления СИФУ. Система импульсно-фазового управления служит для формирования управляющих импульсов, распределения их по тиристорам и регулирования их фазы.

Структурно система импульсно-фазового управления сос­тоит из компаратора, усилителя-формирователя и импульсного трансформатора. На вход компаратора поступают опорное напряжение и управляющее напряжение с выхода регулятора тока. Компаратор формирует двухполярное напряжение пере­менной скважности, которая зависит от уровня и знака управ­ляющего напряжения. Компаратор строится на аналоговом интегральном усилителе без обратных связей.

Усилитель-формирователь преобразует напряжение на вы­ходе компаратора в серию однополярных узких импульсов постоянной амплитуды и ширины, фаза импульсов зависит от величины скважности сигнала на выходе компаратора. Усили­тель-формирователь строится на биполярных транзисторах и резистивно-емкостных цепях.

Импульсный трансформатор гальванически разделяет сило­вую часть преобразователя и систему управления.

Таким образом, система импульсно-фазового управления преобразует двухполярное аналоговое напряжение на выходе регулятора тока в серию импульсов прямоугольной формы, поступающих на управляющие электроды тиристоров в требуе­мой фазе.

С помощью регуляторов тока и скорости, как уже упоми­налось, достигаются необходимые статические и динамические характеристики тиристорного привода.

Статические характеристики этого привода (диапазон ре­гулирования, чувствительность) в основном определяются параметрами регулятора скорости, а динамические характе­ристики (форма переходных процессов при пуске, реверсе и торможении, реакция на возмущение по нагрузке) зависят от параметров регуляторов скорости и тока. В принципе на регуляторах реализуют самые различные законы управления, но чаще всего — пропорционально-интегральный '(ПИ). Схемо­техника регуляторов относительно проста — аналоговый интег­ральный усилитель с резистивно-емкостными обратными связя­ми. Особенность регулятора скорости состоит в том, что он должен иметь малый собственный дрейф выходного напряже­ния, так как этот параметр определяет стабильность нижней скорости двигателя.

Узел токоограничения предохраняет двигатель от протека­ния по его обмоткам токов, которые могут вывести его из 26

строя при пусках (торможениях) на большие скорости. Прин­цип работы узла заключается в сравнении истинного тока, про­текающего в двигателе (сигнал с датчика тока), с допустимой величиной. Если сигнал датчика тока превышает допустимый, то на выходе регулятора тока уменьшается уровень сигнала и снижается величина напряжения, подаваемого с выхода тирис­торного преобразователя на двигатель. В результате ток дви­гателя падает до допустимого уровня.

Узел токоограничения построен на аналоговых интеграль­ных усилителях и резистивно-диодных цепях.

Датчик тока дает информацию о величине и направлении тока, протекающего через двигатель. Датчик тока состоит из измерительной (шунт, магнитодиоды, элементы Холла) и преоб­разовательной частей (магнитно-транзисторная и интегральная схемотехника). Требования к стабильности линейности и точ­ности датчика тока не жесткие, но он должен быть помехоус­тойчив и обладать большим быстродействием. Кроме того, он должен гальванически разделять силовую часть преобразова­теля и систему управления.

Датчик скорости (тахогенератор) дает информацию о величине частоты и направлении вращения вала двигателя. Это специальная электрическая машина — тахогенератор, встроенная в двигатель. К датчику скорости предъявляются очень жесткие требования по крутизне, линейности, стабильности выходного напряжения и уровню его пульсаций. Параметры датчика ско­рости определяют как статические, так и динамические харак­теристики привода в целом.

Тахогенератор является неотъемлемой частью всех аналого­вых регулируемых электроприводов для станков с ЧПУ и роботов.

Тиристорные электроприводы выпускаются комплектно. В комплект входят: силовой трансформатор (токоограничи-вающие реакторы), тиристорный преобразователь, уравнитель­ные дроссели, двигатель со встроенным тахогенератором.

Двигатели, применяемые в станкостроении, существенно отличаются от двигателей общепромышленных серий.

4. Основные виды двигателей постоянного тока

Различают (рис. 15) двигатели по:

функциональному назначению — для приводов главного движения и подачи;

типу системы возбуждения — с электромагнитным возбуж­дением и от постоянных магнитов;

по быстродействию — нормального быстродействия и повы­
шенного; 27

Станочные электро -' двигатели постоянного

Приводы пода и и

Приводы главного dSux<enup

ДВигатели с постоянными магнитами

Двигатели с электро магнитным Возбуж­дением

Рис. 15. Станочные электродвигатели постоянного тока

по количеству оборотов на валу — высокооборотные и низкооборотные;

по напряжению — высоковольтные и низковольтные;

по инерционности — с большим и малым собственным моментом инерции;

по типу конструкции — традиционные (с пазовым ротором), высокомоментные, с гладким якорем, с дисковым, полым ротором и др.;

по способу защиты и охлаждения — защищенное с самовен­тиляцией, защищенное с независимой вентиляцией от посто­роннего вентилятора, закрытое с естественным охлаждением, закрытое с наружным обдувом.

Электродвигатели приводов главного движения выполняют только с независимым электромагнитным возбуждением нор­мального быстродействия. Электромагнитное возбужение поз­воляет регулировать скорость двигателя без изменения мощ­ности (регулирование с постоянной мощностью). Двигатели i приводов главного движения имеют традиционную пазовую конструкцию ротора, нормальное быстродействие и обычную систему возбуждения на статоре.

Двигатели постоянного тока электроприводов подач могут иметь как электромагнитное возбуждение, так и возбуждение от постоянных магнитов. Следует отметить, что в двигателях 28

повышенного быстродействия с электромагнитной системой возбуждения в настоящее время якорь выполняют гладким и полым, а с возбуждением от постоянных магнитов — дис­ковым.

Электродвигатели постоянного тока с электромагнитным возбуждением и пазовым ротором применяли в станках про­изводства 60—70-х годов. Эти двигатели имели большие габа­ритные размеры и собственный момент инерции, значительно превышающий приведенный момент инерции механизма. Кроме того, эти двигатели были высокооборотными, поэтому допол­нительно устанавливали силовой редуктор.

Основными достоинствами двигателей с электромагнитным возбуждением и пазовым ротором являются большая тепловая потоянная времени, механическая прочность и высокая надеж­ность. Быстродействие таких машин невелико из-за большого собственного момента инерции и невысокого динамического момента. Невысокий динамический момент обусловлен ограни­чением пускового тока по коммутационной способности двига­теля, а также размагничивающим воздействием потока реакции якоря на поток главных полюсов.

Если в механизме подачи, содержащем редуктор, применен высокооборотный двигатель с большим моментом инерции, то привод имеет малую чувствительность к изменению нагрузки.

Низкооборотные двигатели, устанавливаемые непосред­ственно на винт, имеют суммарный момент инерции меньше, чем высокооборотные с редуктором. Поэтому изменение на­грузки сказывается сильнее на изменении скорости низкообо­ротного двигателя. Кроме того, отсутствие редуктора приводит к возрастанию потребного момента двигателя, вследствие чего он имеет большие габариты и массу.

В настоящее время в станках применяются двигатели с электромагнитным возбуждением общепромышленной серии 2П и станочной серии ПБСТ и ПСТ.

Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов назы­вают высокомоментными (рис. 16). Они имеют лучшие харак­теристики, чем двигатели с электромагнитным возбуждением. Так, высокомоментные двигатели имеют высокую тепловую постоянную времени (что обеспечивает возможность значитель­ных перегрузок по току в кратковременном и повторно-крат­ковременном режимах), хорошее демпфирование (малую чув­ствительность к динамическим возмущениям по нагрузке и собственную устойчивость в переходных режимах) и достаточ­ную механическую прочность (благодаря значительным разме­рам якоря и большому диаметру вала). Они более быстродей­ствующие, так как способны кратковременно развивать боль-

Рис. 16. Разрез.высоко^оменгного двигателя (ВМД): 1 — вал двигателя, 2 — электромагнитный тормоз, 3 — передний щит, 4 — пкорь двигатели, 5 — постоянные магниты возбуждения двигателя, 6 — корпус двигателя, 7 — щетки двигателя в щеткодержателе, 8 — коллектор двигателя, 9 — задний щит, 10 — постоянные магниты воз­буждения тахогенератора, 11 — кожух тахогенератора, 12 — щетки тахогенератора в щеткодержателе, 13 — якорь тахогенератора, 14 — коллектор тахогенератора, 15 — штепсельный разъем тахогенератора, 16 — подшипник, 17 — рым-болт

шие вращающие моменты, обладают небольшой массой и габа­ритными размерами, большими номинальными вращающими моментами и собственными моментами инерции, в 2 — 3 раза превышающими момент инерции механизма.

Это позволяет устанавливать их HenoqjeflCTBeHHO на винт. Отсутствие потерь на возбуждение снижает нагрев двигателя. Высота полюсов возбуждения этих двигателей меньше, чем при электромагнитном возбуждении. Поэтому двигатели с по­стоянными магнитами выполняются многополюсными, что улучшает равномерность магнитного поля в воздушном зазо­ре и равномерность вращения двигателя (особенно при малых скоростях), Кроме того, для улучшения равномерности час­тоты вращения двигателя увеличено число коллекторных плас­тин, использован специальный материал щеток, а в некоторых случаях и специальное покрытие коллектора.

При установке достаточно мощных магнитов с высокой
коэрцитивной силой обеспечивается независимость потока

возбуждения полюсов от тока якоря и возможность получе­ния 10-кратных кратковременных моментов двигателя при малых скоростях, а следовательно, высокого быстродействия привода, определяемого отношением вращающего момента к моменту инерции.

При любом типе возбуждения двигателей с ростом скорости 30

Дата добавления: 2015-10-21