Обобщенная структура электропривода

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 8Следующая ⇒

Электропривод – электромеханическая система, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.

Обобщенная структура электропривода ( ЭП ) включает в себя: электродвигательное устройство 1, преобразовательное устройство 2 (усилитель мощности, инвертор), передаточное устройство 3 (редуктор), измерительное устройство 4 (датчики углового положения, скорости и т.п.), управляющее устройство 5, рабочий механизм с нагрузкой Н и источник питания ИП.

			ИП
				Электропривод
v	5		2	1	3	y	Н

		4

Принято разделять ЭП на неизменяемую часть, выбираемую в соответствии с энергетическими, функциональными и конструктивными требованиями, а также изменяемую, структура и параметры которой выбираются в соответствии с требованиями к качеству регулирования. К неизменяемой части относятся 1, 2, 3, а к изменяемой – 5. Условно неизменяемой частью можно считать 4, состав которой выбирается при выборе структуры 5, но параметры затем не меняются.

Электродвигатели для ЭМС

Тип исполнительного двигателя и способ управления им в значительной мере определяют как структуру управления эмс, так и достигаемые при этом показатели.

Некоторые особые требования к исполнительным двигателям:

– низкие значение номинальной угловой скорости при повышенных значениях вращающего момента (так называемые низкоскоростные моментные двигатели );

– возможность реверса;

– способность длительной работы в непрерывных динамических режимах;

– высокие удельные показатели (отношение вращающего момента к массе и т.п.);

– совместимость с автономными источниками питания по роду электрической энергии и параметрам напряжения;

– бесконтактность (при работе в агрессивных средах);

– функциональные специальные возможности;

– длительный срок службы;

– невысокая стоимость.

Традиционно в ЭМС используются двигатели постоянного тока (ДПТ), двухфазные асинхронные двигатели (ДАД), трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АД), шаговые двигатели (ШД), синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ).

Двигатели постоянного тока используются в ЭМС несколько десятков лет. Основными достоинствами ДПТ принято считать принципиальную устойчивость в переходных режимах, удобство управления изменением питающего напряжения, хорошие массогабаритные показатели (особенно при возбуждении от постоянных магнитов), широ-кую номенклатуру типов, мощностей, размеров, детально развитую теорию.

Недостатком в данном случае являются пониженная надежность вследствие износа и искрения коллекторного узла и неприменимость в некоторых установках, работающих во взрывоопасных и пожароопасных средах, в вакууме. Гарантированное время наработки на отказ у большинства современных типов ДПТ составляет не более 2000 часов, что на порядок меньше того, что требуется во многих автономных установках, не предполагающих ремонта и обслуживания.

Поэтому наряду с дальнейшим совершенствованием ДПТ наблюдается тенденция перехода в соответствующих ЭМС к двигателям переменного тока. Статистические данные говорят о том, что в последние годы в мире снижалось потребление ДПТ почти на 10 % в год, и увеличивались продажи электродвигателей и ЭМС переменного тока на 8 % в год.

Двухфазные асинхронные двигатели (короткозамкнутые и с полым ротором) являются вторыми по применяемости в ЭМС, так как долгое время были единственной альтернативой ДПТ. Достоинствами ДАД являются их бесконтактность, малоинерционность (особенно двигателей с полым ротором), способность работать на больших скоростях, совместимость с индукционными датчиками углового положения на основе сельсинов, вращающихся трансформаторов и других электрических микромашин.

В классических следящих системах ДАД управляются изменением амплитуды напряжения обмотки управления. Однако высокие номинальные скорости осложняют применение ДАД в низкоскоростных ЭМС ввиду необходимости использовать редукторы с большим передаточным числом, т.е. низким КПД и ощутимыми погрешностями.

Высокие номинальные скорости приводят к малым срокам службы подшипников самих ДАД, которые в результате даже при отсутствии скользящих электрических контактов имеют гарантированное время безотказной работы немногим большее, чем ДПТ – порядка 5000 час. В бытовых и частично общепромышленных установках, получающих питание от однофазной сети, используются двух- и трехфазные конденсаторные асинхронные двигатели.

Трехфазные асинхронные двигатели, обладая такими же преимуществами, что и ДАД, также применяются в ЭМС сравнительно часто, но существуют дополнительные сложности управления ими, в частности, обеспечение реверса.

Шаговые двигатели находят широкое применение в современных ЭМС, обладая многими достоинствами: отсутствие скользящих контактов, способность работать в разомкнутых системах, удобство сопряжения с цифровыми управляющими устройствами.

ШД – единственные электромеханические преобразователи энергии, обеспечивающие непосредственное цифроаналоговое преобразование кода в угловое положение. Недостатком ШД является их неспособность к плавному вращению на малых скоростях из-за импульсного характера работы, худшие, по сравнению с другими типами двигателей, удельные показатели (момент на единицу массы и т.п.).

Синхронные двигатели с постоянными магнитами получили значительное распространение в ЭМС как альтернатива одновременно ДПТ, ДАД и ШД. Наибольшее распространение находят СДПМ в режиме бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ), что приближает их характеристики к таковым у ДПТ, которые считаются эталонными. Многие СД могут работать также в режиме ШД, что расширяет область их применения.

Достоинствами их служат хорошие массогабаритные показатели и низкие номинальные скорости, что позволяет уменьшить передаточное отношение редуктора. Недостатком является невысокая равномерность вращения при работе на малых (ползучих) скоростях, сравнительно высокая стоимость, возможность размагничивания постоянных магнитов с соответствующим ухудшением характеристик.

Индукторные двигатели с электромагнитной редукцией частоты вращения получили распространение в последние 20–25 лет. Обладают всеми достоинствами СДПМ и существенно более низкими скоростями при высокой равномерности вращения. Недостаток – высокая стоимость.

Сравнение различных двигателей осуществляется по следующим показателям:

· масса и габариты;

· минимальная скорость;

· способность работать в управляемых системах;

· срок службы.

1.7. Преобразовательные устройства

Получают энергию от ИП, в качестве которых могут быть электрические сети однофазного и трехфазного тока, синхронные генераторы по системе «Д-СГ», генераторы постоянного тока, т.е. системы «Д-ГПТ», различные аккумуляторы и системы «Тр-В».

Используютсяпреобразовательные устройства:

1) для ЭМС с двигателями постоянного тока: управляемый вы-прямитель (УВ), широтно-импульсный (ШИП), частотно-импульсный (ЧИП), широтно-частотный преобразователь (ШЧИП);

2) для ЭМС с двигателями переменного тока: автономный инвертор,

или циклоконвертор, т.е. непосредственный преобразователь частоты, на вход которого подается неизменное напряжение, а на выходе имеем переменную частоту огибающей импульсного напряжения.

В ПУ используют транзисторы и тиристоры.

Транзистор – полностью управляемый полупроводниковый элемент. В тиристоре прерывание тока осуществляется естественной или искусственной коммутацией. В связи с различными свойствами применяют оба элемента.

· Для транзистора I_max = I_ном; для тиристора I_max > I_ном

Управляющие устройства.

Способы управления ЭМС

Простотасистемы управления ЭМС зависит от нескольких факторов: числа каналов управления, числа регулируемых переменных, наличия обратных связей и вид регуляторов (линейные, нелинейные, с эталонной моделью и др.). Очевидно, что тип двигателя влияет на сложность систем управления (СУ) с учетом возможных способов управления. Наиболее простыми являются двигатели с одноканальным управлением, возбуждение которых осуществляется постоянными магнитами.

Для управления исполнительных двигателей переменного тока преимущественно используются частотные способы: частотно-независи-мое, частотно-токовое, частотно-векторное и частотно-зависимое уп-равление.

Частотно-независимое управление (ЧНУ) реализуется изменением частоты синусоидального питающего напряжения. В электрических двигателях угловая скорость ротора однозначно связана с частотами тока питания.

Увеличение частоты уменьшает максимальный момент двигателя, т.е. снижает его перегрузочную способность и устойчивость в переходных режимах.

Уменьшение частоты приводит к перераспределению токов в обмотках, насыщению отдельных участков магнитопровода, изменению индуктивностей, дополнительным потерям и перегреву.

В связи с этим при ЧНУ используется одновременное изменение амплитуды питающего напряжения, т.е. те или иные законы частотного управления.

В настоящее время синтезировано несколько законов частотного управления двигателей по различным критериям для установившихся режимов, в частности из условий максимального КПД и минимальной мощности потребления, постоянства перегрузочной способности и минимума тока ротора.

Частотно-токовое управление (ЧТУ) первоначально было разработано для СД, а затем и для других двигателей переменного тока. Суть ЧТУ сводится к формированию в обмотках синусоидальных токов заданной амплитуды с частотой, соответствующей частоте вращения ротора, т.е. при ЧТУ в двигателе формируется вращающий момент, а не скорость, как при ЧНУ.

Частотно-векторное управление (ЧВУ) первоначально было разработано для АД с короткозамкнутым ротором, а затем нашло применение для всех других типов электрических машин переменного тока. Суть ЧВУ сводится к построению системы управления на базе математического описания электродвигателя в системе координат с взаимно неподвижными обмотками.

Выбором системы координат (привязкой ее к тому или иному обобщенному вектору тока, напряжения или потокосцепления) обеспечивают оперирование с сигналами постоянного тока, что существенно упрощает построение и настройку системы. Переход от управляемых величин в модели к реальным величинам в двигателе, а от реальных управляемых величин в двигателе к преобразованным в модели осуществляется с помощью соответственно прямого и обратного координатных преобразований.

Частотно-зависимое управление (ЧЗУ) первоначально было разработано для СД с постоянными магнитами по схеме бесконтактного двигателя постоянного тока, а впоследствии нашло некоторое применение для АД с короткозамкнутым ротором. Суть его сводится к тому, что частота питания обмоток определяется текущей угловой скоростью ротора, т.е., если при ЧНУ частота питания определяет скорость, то при ЧЗУ скорость двигателя определяет частоту питания. Управление скоростью осуществляется изменением напряжения постоянного тока, от которого питается зависимый инвертор.

Фазовое управление заключается в том, что обмотки подключают к многофазным напряжениям одинаковой частоты, обеспечивая тем самым режим синхронного стояния, а потом тем или иным способом изменяют фазы питающих напряжений.

Преимущественное распространение получили различные варианты ЧВУ, отличающиеся опорным вектором, к которому осуществляется привязка системы координат, а также датчиками обратных связей и цепями задания регулируемых величин.

Измерительные устройства,

Согласования в ЭМС

Датчики скорости (ДС), тахогенераторы, фотометрические уст-ройства – измеряют величины.

Датчики положения (ДП), измеряют углы, фиксируют положение – это вращающиеся трансформаторы, сельсины, потенциометры, фазовращатели.

Выбор разомкнутой или замкнутой системы определяется требова-ниями к выходному параметру. Например, для системы регулирования ско-рости может быть применена разомкнутая система, если Dw_вых< Dw_треб..

Если Dw_выхкомплекса преобразователь-двигатель (Пр-Д) больше Dw_треб, то необходимо применить замкнутую систему.

Необходимые согласования в ЭМС:

1) звено «ИП-Пр» – по качеству электроэнергии (влияние колебаний частоты и напряжения ИП на выходное напряжение Пр, влияние Пр на ИП);

2) звено «ИП-Пр-Д» – по качеству энергопреобразования (коэф-фициенту мощности cosj, коэффициенту формы тока К_ф_i);

3) звено «Пр-Д» – по принятому способу регулирования скорости, возможных рабочих и тормозных режимов.

4) звено «Пр-Д-Р» – по энергодинамическим характеристикам силовой части приводов;

5) звено «Д-Р-ИМ» – по скорости и ускорениям, допускаемым люфтам, прочностным характеристикам.

Электромеханические

Преобразователи

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 Следующая ⇒