Комплектные и интегрированные электроприводы

Обзор существующих типов ЭП

ЗАМКНУТЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ДВИГАТЕЛЯМИ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Характеристики разомкнутых ЭП, построенных по системе «пре­образователь-двигатель» (П - Д), имеют относительно невысокую жесткость из-за влияния внутреннего сопротивления преобразова­теля. Для получения значительных диапазонов и высокой точности регулирования скорости требуются более жесткие характеристики, которые возможно обеспечить лишь в замкнутой системе П - Д. Кроме того, характеристики разомкнутой системы не обеспечива­ют точного регулирования (или ограничения) тока и момента, что также требует перехода к замкнутой системе П - Д. Рассмотрим принципы построения и действия замкнутых схем регулирования скорости, тока, момента и положения двигателя с использованием различных обратных связей.

Замкнутые ЭП с двигателями переменного тока до недавнего времени применялись относительно редко. В последние годы в свя­зи с появлением разнообразных средств управления, и в первую очередь полупроводниковых силовых преобразователей, регулиру­емый ЭП переменного тока начал быстро развиваться. Рассмотрим некоторые примеры выполнения таких ЭП.

КОМПЛЕКТНЫЕ И ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ

Прогрессивным явлением при создании средств управления и автоматизации технологических процессов являются разработка и выпуск комплектных ЭП (КЭП) постоянного и переменного тока. Комплектным является регулируемый ЭП, поставляемый заказчи­ку вместе со всеми его функциональными элементами (см. рис.1), согласованными по всем своим характеристикам и параметрам уже на стадиях проектирования, конструирования и изготовления.

КЭП находят все более широкое применение во многих отрас­лях промышленности - станкостроительной, металлургической, машиностроительной и др. Их быстрое распространение определя­ется более низкой трудоемкостью при разработке и изготовлении, сокращением времени на электромонтажные и наладочные рабо­ты, удобством в эксплуатации.

КЭП различаются по напряжению питающей сети, числу двига­телей (одно-, двух- или многодвигательные), виду и номинальным параметрам силового преобразователя, наличию или отсутствию реверса двигателя, виду основной регулируемой координаты (ЭП с регулируемыми скоростью, положением, натяжением, мощностью), диапазону и направлению регулирования скорости (однозонные и двухзонные), составу аппаратуры силовой цепи (с линейным кон­тактором или без него), наличию или отсутствию торможения, спо­собу связи с питающей сетью (связь через трансформатор, реактор или без них).

Комплектный ЭП постоянного тока характеризуется наиболее широкой номенклатурой. В его состав входят ДПТ с тахогенератором и (или) датчиком положения, тиристорные преобразователи для питания обмоток возбуждения и якоря ДПТ, силовой трансформа­тор или реактор, сглаживающий реактор, коммутационная и защит­ная аппаратура (автоматические выключатели, линейные контакто­ры, рубильники), устройство динамического торможения (при необ­ходимости), схема управления ЭП, блоки питания обмотки возбуж­дения тахогенератора и электромагнитного тормоза, шкаф высоко­вольтного ввода (при необходимости), а также комплект аппаратов, приборов и устройств для управления и кош роля состояния ЭП.

Датчики технологических параметров рабочих машин и меха­низмов, а также управляющие и сигнальные устройства, монтируе­мые на пультах управления, ввиду их специфичности в комплект поставки обычно не входят.

Электротехнической промышленностью выпускается несколько серий КЭП постоянного тока.

Комплектные тиристорные электроприводы серии КТЭУ обла­дают широким спектром функциональных возможностей. Они вы­пускаются в однодвигательном и многодвигательном вариантах ре­версивного и нереверсивного исполнения как с динамическим тор­можением, так и без него. КТЭУ мощностью до 2 000 кВт обеспечи­вают регулирование скорости, положения, ЭДС, мощности и натя­жения, а КТЭУ, рассчитанные на мощности до 12 000 кВт, - только регулирование скорости и мощности. На основе этой серии реали­зуются ЭП со специальными характеристиками.

Серии ЭКТ и КТЭ мощностью соответственно до 2 000 и 1 000 кВт имеют примерно те же функциональные возможности, что и серия КТЭУ, и отличаются только набором и исполнением от­дельных блоков. Они могут применяться в различных ЭП, требую­щих регулирования скорости, положения и натяжения.

Большая группа комплектных ЭП разработана и широко приме­няется для механизмов станков, роботов, манипуляторов и ряда дру­гих подобных рабочих машин и механизмов. К их числу относятся серии ЭТУ 3601, ЭТЗ, ЭТ6, ЭТРП, ЭПУ1, ЭПУ2, ПРП, ЭШИР-1. В этих КЭП применяются высокомоментные двигатели типов ПБСТ, ПГТ, 2П, ПБВ, ДК1, обеспечивающие высокие динамические показатели их работы. Эти двигатели имеют встроенные тахогенераторы, с помощью которых реализуется обратная связь по ско­рости. В состав этих КЭП входят также силовой преобразователь, устройство управления, автоматический выключатель, трансформа­тор питания, сглаживающий реактор, аппараты защиты и сигнали­зации. Некоторые из них (ЭТУ 3601, ЭТЗ) имеют также блоки связи с системами числового программного управления (ЧПУ) станков.

Большинство указанных КЭП имеют силовые тиристорные пре­образователи, построенные по однофазным или трехфазным, мос­товым и нулевым, нереверсивным и реверсивным схемам. В сериях ПРП и ЭШИР-1 используется транзисторный преобразователь с ши-ротно-импульсной модуляцией напряжения (ШИМ).

Схемы управления большинства станочных КЭП построены по принципам подчиненного регулирования координат с П и ПИ регу­ляторами тока и скорости, что обеспечивает большие диапазоны ре­гулирования скорости. В КЭП для главных движений станка (ЭТЗ, ЭТРП, ЭПУ1) предусматривается управление током возбуждения двигателя с помощью тиристорных преобразователей (возбудителей), чем достигается увеличение диапазона регулирования скорости. Мощность станочных КЭП составляет единицы и десятки киловатт.

Комплектный электропривод переменного тока пока имеет более узкую номенклатуру. В качестве примера следует назвать рассмот­ренный выше серийный ЭП серий ЭКТ и ЭКТ2, выпускаемый на мощности от 19 до 66 кВА.

Еще одним примером КЭП переменного тока может служить серия «Размер 2М», применяющаяся в станках с ЧПУ. Этот КЭП предусматривает частотно-токовое управление АД.

Интегрированный ЭП. В последние годы для некоторых станков и специальных механизмов стали разрабатываться и применяться ЭП с объединением в единую конструкцию нескольких компонент -двигателя, механической передачи, датчиков координат, а в неко­торых случаях и силового преобразователя. Такой электромехани­ческий модуль, называемый иногда мехатронным, позволяет в ряде случаев получать более высокие технико-экономические показате­ли работы ЭП и технологического оборудования.

СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

 

Следящим называется ЭП, который обеспечивает (воспроизво­дит) с заданной точностью движение исполнительного органа ра­бочей машины в соответствии с произвольно изменяющимся вход­ным сигналом управления. Этот механический или электрический сигнал может изменяться в широких пределах по произвольному временному закону. Чаще всего он соответствует скорости или углу поворота оси или вала задающего устройства. Следящий ЭП при­меняется в антеннах радиотелескопов, системах спутниковой свя­зи, металлообрабатывающих станках, приводах роботов и мани­пуляторов, автоматических измерительных приборах и других уст­ройствах.

 

1. Замкнутая система П - Д с отрицательной обратной связью по ско­рости двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Основу такой системы (рис. 11.23, а) составляет разомкнутая схема П - Д. На валу ДПТНВ находится датчик скорости - тахогенератор ТГ, выходное напряжение которого U_TГ = γω пропорционально скоро­сти ДПТ и является сигналом обратной связи. Коэффициент про­порциональности у называется коэффициентом обратной связи по скорости и может регулироваться за счет изменения тока возбуж­дения тахогенератора

Сигнал обратной связи U_TГ = γω = U_oc сравнивается с задающим сигналом скорости U_ЗС, и их разность в виде сигнала рассогласования (ошибки) U_ВХ подается на вход дополнительного усилителя У, кото­рый с коэффициентом к. усиливает сигнал рассогласования U_ВХ и по­дает его в виде сигнала управления U. на вход преобразователя П.

Для получения характеристик ДПТ в замкнутой системе воспользуемся выражениями (4.30) и (4.31), схемой рис. 4.11, а также соот­ношениями (см. рис. 11.23, а)

 

U_у = k _у U _вх

Е_п = k _п U_у

где Е_пи k _п - соответственно ЭДС и коэффициент усиления преобра­зователя.

Заменяя в (4.30) и (4.31) последовательно Е на выражение (11.7), далее U_у на выражение (11.6) и затем U _вхна выражение (11.5), после несложных преобразований получим следующие формулы для ха­рактеристик ДПТ в замкнутой системе:

 

 

 

 

Для анализа жесткости полученных характеристик сопоставим перепады скорости в разомкнутой Δω_р и Δω_з замкнутой системах при одном и том же токе или моменте. Согласно (4.30), (4.31), (11.8) и (11.9)

 

 

Так как к_с > О, то Δω_з < Δω_р т.е. всегда жесткость характеристик в замкнутой системе больше жесткости характеристик в разомк­нутой системе. Сами характеристики, показанные на рис. 11.23,6, представляют собой прямые параллельные линии 2, 4 и 5, располо­жение которых определяется уровнем задающего сигнала по ско­рости U_3c и соответственно скоростью холостого хода со₍₎. Здесь же для сравнения приведена более мягкая характеристика ДПТ в ра­зомкнутой системе (прямая 3).

Для нахождения предельной по жесткости характеристики бу­дем увеличивать коэффициент усиления системы /с. до бесконечно­сти. Из (11.11) видно, что при к_с— > оо Δω_з —> 0, т.е. в пределе в дан­ной замкнутой системе может быть получена абсолютно жесткая характеристика (штриховая прямая У).

Рассмотрим физическую сторону процесса регулирования скорости в данной системе. Предположим, что ДПТ работает под нагрузкой в установившемся режиме и по каким-то причинам увеличился момент нагрузки М. Так как развиваемый ДПТ момент становится меньше момента нагрузки, его скорость начинает снижаться и соот­ветственно будет снижаться сигнал обратной связи по скорости U_TГ = γω, что в свою очередь согласно (11.5)...(11.7) вызовет увеличение сигналов рассогласования U _вх и управления U_у и приведет к повыше­нию ЭДС преобразователя, а следовательно, напряжения и скорости ДПТ. При уменьшении момента нагрузки обратная связь будет дей­ствовать в другом направлении, приводя к снижению ЭДС преобра­зователя.

Таким образом, благодаря наличию обратной связи осуществ­ляется автоматическое регулирование ЭДС преобразователя, а зна­чит, и подводимого к ДПТ напряжения, за счет чего повышается жесткость характеристик ЭП. В разомкнутой же системе при изме­нении момента нагрузки ЭДС преобразователя не изменяется, в ре­зультате чего жесткость характеристик электропривода меньше.

Для повышения жесткости характеристик в системе П - Д кроме обратной связи по скорости используются также отрицательная об­ратная связь по напряжению и положительная обратная связь по току двигателя и их сочетания. Схемы ЭП и получаемые характери­стики см. в [6, 7].