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 токахарактеризуется наиболее широкой номенклатурой. В его состав входят ДПТ стахогенератором 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 токапока 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 UTГ = 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 UTГ = γω = Uoc сравнивается с задающим сигналом скорости UЗС , и их разность в виде сигнала рассогласования (ошибки) UВХ подается на вход дополнительного усилителя У, который с коэффициентом к. усиливает сигнал рассогласования UВХ 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)
Uу = kу Uвх
Еп = kп Uу
где Епи kп - соответственно ЭДС и коэффициент усиления преобразователя.
Заменяя в (4.30) и (4.31) последовательно Е на выражение (11.7), далее Uу на выражение (11.6) и затем Uвхна 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 Δωр и Δωз замкнутой системах при одном и том же токе или моменте. Согласно (4.30), (4.31), (11.8) и (11.9)
Так как кс > О, то Δωз < Δωр 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 U3c 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 кс—> оо Δωз —> 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 UTГ = γω, что в свою очередь согласно (11.5)...(11.7) вызовет увеличение сигналов рассогласования Uвх и управления Uу 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].