Типовые структуры следящих электроприводов

Прежде всего отметим, что следящие электроприводы отечественной промышленностью комплектно не выпускаются. Они изготавливаются индивидуально исходя из требований к точности слежения на основе применения быстродействующих реверсивных тиристорных или транзисторных электроприводов постоянного тока типов ЭШИМ, ЭПУ и др. с высокомоментными двигателями серий ПБВ, ДПМ, ДК-1 или иных с высокими динамическими характеристиками, а также на основе электроприводов переменного тока типа “Размер-2М” с двигателями серии 4А. Питание элементов системы управления осуществляют от промышленной сети с частотой 50 Гц или от индивидуальных источников постоянного тока. Маломощные следящие электроприводы, а также измерительные и преобразующие устройства питают преимущественно от источников с частотой 400 Гц или выше.

Техническая структура и точность следящего электропривода определяются, прежде всего, типом применяемого датчика положения. В качестве датчиков положения следящих САУ применяются:

- многооборотные прецезионные потенциометры с линейной характеристикой (точность отработки рассогласований – 0,2%…0,6%);

- сельсины (точность отработки рассогласований – 0,2°…1°);

- синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (точность отработки рассогласований – десятые доли…единицы угловых минут);

- круговые индуктосины (точность отработки рассогласований – единицы…десятки угловых секунд);

- линейные индуктосины (точность отработки рассогласований – единицы…десятки микрон);

- цифровые и импульсные датчики положения (точность отработки рассогласований – до 0,001%).

Заметим, что точность следящей САУ не может быть выше точности применяемого датчика.

Наиболее широкое распространение в САУ, в частности в следящих САУ металлорежущих станков (МС) и промышленных роботов (ПР), нашли фазовые датчики перемещений индукционного типа – сельсины, СКВТ, индуктосины. На рис. 8.23. приведена функциональная схема следящего электропривода с СКВТ, работающего в режиме фазовращателя.

Рис. 8.23. Функциональная схема следящего привода с СКВТ

СКВТ представляет собой индукционную микромашину, напоминающую двухфазную асинхронную машину с фазным ротором. На статоре расположены 2 обмотки, сдвинутые в пространстве на 90° и питающиеся синусоидальными напряжениями, сдвинутыми по фазе на 90°. Благодаря этому образуется круговое, вращающееся со скоростью W, магнитное поле. При этом в роторных обмотках индуцируется ЭДС, имеющая такую же частоту, но сдвинутая по фазе относительно опорного напряжения на угол j, определяемый углом поворота ротора СКВТ. Ротор СКВТ кинематически связан с перемещаемым (вращаемым) узлом МС, ПР или иной установки (см. пунктирную линию на рис. 8.23).

Задающее устройство представляет собой фазовый преобразователь ФП, на который подаются два сигнала: синусоидальное напряжение

U_m sin(W t)от генератора синусоидального напряжения ГСН и цифровой код, пропорциональный заданному угловому перемещению j_з рабочего органа, от устройства числового программного управления УЧПУ.ФП осуществляет сдвиг по фазе синусоидального сигнала на угол j_з. Фазовый дискриминатор ФД осуществляет сравнение сигнала задания с сигналом обратной связи, поступающий с роторной обмотки СКВТ, и формирует напряжение, пропорциональное ошибке слежения U _Dj.

Устройство управления УУ следящим приводом обеспечивает формирование оптимального сигнала управления U _у электромеханическим приводом (силовым модулем, состоящим из силового преобразователя энергии СПЭ и электродвигателя). Оно включает в себя регуляторы положения, скорости и тока двигателя, корректирующие звенья, обеспечивающие формирование первой и, в общем случае, второй производных от задающего и возмущающего воздействий (см. предыдущий раздел).

В зависимости от избранной системы питания роторных и статорных обмоток СКВТ различают 4 режима его работы. Как уже отмечалось, в рассмотренном примере СКВТ работает в режиме фазовращателя, который часто называют фазовым индикаторным. СКВТ может функционировать также в амплитудном индикаторном, фазовом и амплитудном разностных режимах. Измерительная часть следящего привода при использовании этих режимов работы СКВТ имеет иной состав преобразовательных модулей, но не имеет каких-либо преимуществ по сравнению с рассмотренной выше /10/.

Следует отметить, что СКВТ с одной парой полюсов (Z_p=1) имеют сравнительно невысокую точность (менее 1°). Значительно более высокую точность имеют многополюсные СКВТ, у которых цена оборота фазы равна 360° / Z_p). Среди отечественных многополюсных СКВТ можно отметить датчики типов БСКТ-1065 (Z_p =5), СКТД-6465 (Z_p =32). Точность измерения датчиков СКТД-6465 достигает 0,1¢…0,5¢ в зависимости от класса точности. Некоторые высокомоментные электродвигатели поставляются со встроенными многополюсными СКВТ (например, электродвигатель ДК-1 имеет СКВТ с Z_p =10).

Существенное повышение точности следящей САУ можно достичь, если измерение положения осуществлять в дискретной форме. В таких системах не только задание, но и контроль отработки, и выработка сигнала управления положением производится в цифровой или импульсной форме. Функциональная схема следящей САУ с импульсным датчиком положения приведена на рис. 8.24.

Рис. 8.24. Функциональная схема следящей САУ с импульсным

датчиком положения

Обозначения на схеме:

УЧПУ – устройство числового программного управления;

РИ – распределитель импульсов;

РСч – реверсивный счетчик импульсов (двоичный или двоично-десятичный);

РП – регулятор положения;

ПКН – преобразователь “код-напряжение”;

ПЧН – преобразователь “частота-напряжение”;

КУ – корректирующее устройство;

КРС – разомкнутый контур регулирования скорости;

РО – рабочий орган;

ЧИД – частотно-импульсный датчик.

Задание положения осуществляется устройством числового программного управления УЧПУ типа NC в дискретной форме, т.е. приращение перемещения за некоторый промежуток времени задается числом импульсов, соответствующих этому перемещению (см. сигнал D f _зп на рис. 8.24). По сути дела задающее воздействие определяет заданную кадром программы скорость электропривода на данном отрезке времени. В качестве датчика положения применен частотно-импульсный датчик ЧИД, выходная частота которого пропорциональна скорости электродвигателя.

Распределитель импульсов РИ осуществляет исключение полностью совпадающих импульсов по каналам задания и обратной связи. Реверсивный счетчик импульсов РСч формирует код ошибки отработки перемещения N _Dj, а цифровой регулятор положения РП формирует код задания скорости N _зс следящего электропривода (например, пропорционально N _Dj).

На входе КРС суммируются 3 сигнала: напряжение задания скорости U _зс, напряжение частотно-импульсного датчика скорости U _дс (отрицательная обратная связь) и напряжение корректирующего устройства U _ку (положительная компенсирующая связь), обеспечивающее форсирование отработки изменения задающего воздействия следящей САУ. При ПД-структуре КУ на его выходе формируются компенсирующие воздействия по первой и второй производной задающего воздействия, что позволяет обеспечить астатизм второго порядка по этому воздействию.

Несомненным достоинством приведенной структуры следящей САУ с импульсным датчиком скорости является применение единого частотно-импульсного датчика в каналах регулирования скорости и положения. Современные ЧИД имеют высокое разрешение благодаря растровой технологии изготовления модуляционных дисков. Разрешающая способность некоторых датчиков достигает 10000 импульсов на оборот при диаметре модуляционного диска не более 50 мм, например типа icr. Из отечественных ЧИД применяются датчики моделей ПДФ, ВЕ-815, СИФ-3 и др., обеспечивающие разрешающую способность до 5000 импульсов на оборот.

9. СУ ЭП переменного тока

В регулируемых электроприводах переменного тока используют асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым и фазным ротором, синхронные и вентильные двигатели. При этом применяются различные способы регулирования скорости электродвигателя путем изменения напряжения статора, частоты и напряжении статора, частоты и напряжения ротора, добавочного сопротивления в цепи ротора и др. Используется значительно большее число регулируемых координанат, нежели в электроприводах постоянного тока, и, соответственно, множество силовых преобразовательных устройств, различающихся и конструктивными решениями, и способами управления. Все эти обстоятельства за­трудняют формирование общих подходов к синтезу СУ ЭП переменного тока. Ниже рассмотрены основные способы управления АД, принципы построения силовых преобразовательных устройств, питающих асинхронные электродвигатели, а также систем управления наиболее распространенными в промышленности АД с короткозамкнутым ротором.

9.1. Способы управления асинхронным двигателем

Для управления АД с короткозамкнутым ротором применяют два основных подхода: фазовое управление и частотное управление.

Первый подход базируется на изменении угла отпирания тиристоров реверсивного управляемого выпрямителя, подключенного к цепи статора (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Функциональная схема СУ ЭП с фазовым управлением

Обозначения:

- заданное действующее значение напряжения статора;

- угол отпирания тиристоров;

СИФУ – система импульсно-фазового управления.

При фазовом управлении тиристорами изменяется, по сути, средневыпрямленное напряжение полуволн питающей сети при постоянстве частоты питающей сети. Отсюда недостатки такого способа регулирования:

1. снижение критического электромагнитного момента АД при уменьшении напряжения статора , причем в квадратичной зависимости

, (9.1)

где , (9.2)

- э.д.с. асинхронной машины,

- число витков обмотки статора,

- магнитный поток,

- частота напряжения статора,

- угловая скорость вращения поля статора;

2. малый диапазон регулирования скорости в силу значительного снижения электромагнитного момента на малых скоростях;

3. увеличение потерь в АД, поскольку помимо первой гармоники напряжение питания статора содержит высшие гармонические составляющие.

Указанные недостатки ограничивают область применения силовых преобразователей с фазовым управлением - только для регулирования скорости маломощных АД, либо в качестве устройств плавного пуска АД.

Второй подход базируется на принципе частотного управления АД. Как следует из (9.2) при уменьшении частоты питающего напряжения необходимо одновременно изменять и напряжение статора, чтобы избежать насыщения магнитной цепи при увеличении магнитного потока . В связи с этим различают несколько способов (законов) частотного управления:

1. пропорциональное управление (закон Костенко) при обеспечении

; (9.3)

2. управление с постоянным максимально допустимым моментом нагрузки или магнитным потоком (с - компенсацией падения напряжения в обмотках статора) при

; (9.4)

3. квадратичное управление (управление с постоянной мощностью АД) при

или . (9.5)

Механические характеристики АД, соответствующие этим законам управления, приведены на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Механические характеристики АД при различных законах частотного управления

Закон пропорционального управления целесообразен при вентиляторном характере нагрузки (вентиляторы, дымососы, компрессоры), закон с - компенсацией – при постоянстве момента нагрузки (лифты, подъемники), закон квадратичного управления – при постоянстве мощности электропривода (тяговый электротранспорт).

Специфическими разновидностями частотного управления являются частотно-токовое управление и векторное управление. В первом случае управляют частотой и амплитудой тока статора. При этом преобразователь частоты рассматривается как источник переменного тока. Во втором случае оптимальное управление АД достигается изменением амплитуды, фазы и частоты векторов тока и потокосцепления.

9.2. Силовые преобразователи, применяемые для управления

асинхронными электродвигателями

Для управления электродвигателями переменного тока используются различные полупроводниковые преобразователи:преобразователи напряжения, неуправляемые выпрямители и зависимые инверторы, автономные инверторы тока и напряжения, непосредственные преобразователи частоты, импульсные преобразователи. Схемы силовых преобразователейвесьма разнообразны и определяются конкретными требованиями к электроприводу переменного тока по таким показателям, как мощность, диапазон регулирования скорости, характеристика момента нагрузки на валу, потери электроэнергии, простота реализации, форма выходного напряжения или тока и др.

Тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ), получившие наибольшее распространение в технике электропривода, разделяются на две большие группы: ТПЧсо звеном постоянного тока и ТПЧс непосредственной связью. В свою очередь ТПЧ со звеном постоянного тока разделяются на ТПЧ с управляемым или неуправляемым выпрямителем, с автономными инверторами тока (АИТ) или напряжения (АИН).

Рассмотрим основные схемы ТПЧ, используемых для управления электродвигателями переменного тока в соответствии со способами, изложенными в гл. 9.1.

9.2.1. Преобразователи частоты с автономным инвертором

напряжения

В практике проектирования СУ ЭП переменного тока нашли применение 3 основные структуры ТПЧ с АИН, отличающиеся методом регулирования напряжения.

На рис. 9.3а приведена структура ТПЧ с амплитудным регулированием напряжения статора с помощью управляемого тиристорного выпрямителя (УВ). На рис. 9.3б приведена структура ТПЧ с амплитудным регулированием напряжения статора с помощью транзисторного широтно-импульсного преобразователя (ШИП).

Рис. 9.3. ТПЧ с раздельным регулированием напряжения

и частоты статора АД

Обозначения:

- заданное напряжение статора,

- заданная частота инвертора напряжения.

В схеме на рис. 9.3а регулирование напряжения статора осуществляется реверсивным тиристорным преобразователем (управляемым выпрямителем УВ), а регулирование частоты - с помощью АИН. Для коммутации тиристоров применяют 2π/3- или π – коммутацию тиристоров [1]. В данном случае возможен режим рекуперации энергии в сеть и реализация эффективных тормозных режимов АД.

В схеме на рис. 9.3б регулирования напряжения статора АД осуществляется в две ступени: сначала напряжение сети выпрямляется с помощью неуправляемого выпрямителя НУВ, а затем регулируется методом широтно-импульсной модуляции с помощью ШИП. В этом случае возможен только режим динамического торможения при наличии таковой цепи на входе ШИП. Кроме того, ТПЧ, реализованный по схеме 9.3б, содержит большое число силовых элементов, что ведет к его удорожанию и редкому применению на практике.

На рис. 9.4 приведена функциональная схема ТПЧ с неуправляемым (диодным) выпрямителем и транзисторным АИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Рис. 9.4. ТПЧ с регулированием напряжения и частоты статора

с помощью АИН с ШИМ

В данной схеме напряжение сети выпрямляется с помощью неуправляемого выпрямителя НУВ, а требуемый закон регулирования напряжения и частоты поля статора реализует один силовой модуль - транзисторный АИН с ШИМ.

9.2.2. Преобразователи частоты с автономным инвертором

тока

Такие преобразователи (рис. 9.5) обеспечивают постоянство заданного переменного тока статора АД, т.е. ТПЧ с АИТ имеют свойства источника тока. Для этого в цепь выпрямленного напряжения тиристорного управляемого выпрямителя или диодного неуправляемого выпрямителя включен реактор L, имеющий большую индуктивность, а следовательно, ТПЧ имеет большое полное внутреннее сопротивление.

К достоинствам такой структуры ТПЧ относятся отсутствие обратного диодного моста в АИТ [1] и емкости C, а также возможность рекуперации энергии в сеть при торможении АД. В случае применения НУВ при торможении АД его переводят в режим инвертора, ведомого сетью [1].

Рис. 9.5. ТПЧ с АИТ

Стабилизация тока статора i ₁ на заданном уровне обеспечивается за счет введения отрицательной обратной связи по этой координате, а закон частотно-токового управления – поддержанием соотношения i ₁/ f ₁.

9.2.3. Преобразователи частоты с непосредственной

связью с сетью

Преобразователи частоты с непосредственнойм связью с сетью (НПЧ) не содержат промежуточного звена постоянного тока и применяются для управления АД общепромышленных серий с 6-ти выводами обмотки статора, причем каждая фазная обмотка А, В, С питается отдельно от реверсивного тиристорного преобразователя (рис 9.6).

Для питания каждой из обмоток используются два встречно-параллельно включенных тиристорных моста Ларионова с раздельным или совместным управлением (36 тиристоров). Иногда применяется модификация с 18 тиристорами (по 6 тиристоров на фазу).

Рис. 9.6. ТПЧ с непосредственной связью

Система управления реверсивными тиристорными мостами позволяет одновременно изменять напряжение и частоту статора. Принцип управления иллюстрируется временной диаграммой (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Временная диаграмма формирования напряжения

одной из фаз статора

В положительный полупериод питающего напряжения работает один из комплектов тиристоров, в отрицательный – другой. Изменение амплитуды фазного напряжения АД достигается пропорциональным изменением угла α отпирания тиристоров (чем больше угол α, тем меньше амплитуда) при сохранении синусоидальной огибающей (см. пунктирную линию). Совместное или раздельное управление комплектами вентилей организуется аналогично реверсивным преобразователям постоянного тока.