ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ЛЕКЦИЯ 25
Синтез электропривода. Технические требования.
Экономические требования
Синтез электропривода
Синтез технической системы включает в себя структурный, функциональный и параметрический синтез. Электрический привод представляет собой сложную электромеханическую систему. Для его синтеза должен быть применен системный подход, т.е. представление электропривода в виде совокупности элементов, определение функций и параметров каждого элемента с учетом их связей и взаимодействия.
Структурный синтез заключается в выборе состава элементов и установления связей между ними. Результатом его является структурная схема, на которой условно показаны элементы, даны их названия и показаны электрические и механические соединения. Типы элементов и их функции здесь не раскрываются.
Например, в качестве элементов могут быть названы управляющее устройство, усилитель мощности, электродвигатель, редуктор, объект управления, датчик угла и тахогенератор. Показано, что выходной сигнал управляющего устройства поступает на вход усилителя, выходное напряжение которого поступает на двигатель. Вал двигателя механически связан с входным валом редуктора, а его выходной вал механически связан с исполнительным механизмом, а также с датчиком угла и тахогенератором. Их выходные сигналы поступают на вход управляющего устройства.
Функциональный синтез состоит в установлении функций, которые выполняют элементы. На этом этапе определяется алгоритм работы управляющего устройства и функции его элементов, тип электродвигателя, тип усилителя и принцип его действия, тип редуктора, тип датчика угла и тахогенератора.
Функции каждого элемента могут задаваться с помощью алгебраических или дифференциальных уравнений, с помощью передаточных функций, фрагментов электрической принципиальной схемы, графиков, словесных описаний. Параметры, входящие в функции, здесь обозначены буквами. Их значения не определены.
Например, может быть приведено уравнение управляющего устройства
Здесь α0 – входной сигнал, пропорциональный требуемому углу поворота; ω0 – требуемая частота вращения исполнительного механизма; α, ω – реальные значения этих величин; с1, с2 – постоянные коэффициенты, значения которых неизвестны.
Если имеется корректирующее звено, то его действие может быть определено с помощью передаточной функции, например
где статический коэффициент передачи k и постоянные времени T1, T2 пока неизвестны.
Про усилитель мощности может быть установлено, что это двухтактный транзисторный усилитель с трансформаторным выходом, а про электродвигатель – что это двухфазный асинхронный двигатель с полым ротором неизвестной мощности.
На этапе параметрического синтеза определяются значения всех коэффи-циентов и постоянных времени, мощность двигателя, коэффициент усиления усилителя мощности, передаточное отношение редуктора. По окончании синтеза электропривода как системы начинается проектирование его элементов с найденными интегральными параметрами. Для управляющего устройства составляется принципиальная электрическая схема, выбираются типы его элементов и рассчитываются их параметры.
Для усилителя мощности или для преобразователя частоты выбирается принцип действия, составляется принципиальная электрическая схема, выбираются типы его элементов и рассчитываются их параметры. Для покупного двигателя определяется марка и все паспортные данные, а при необходимости производится проектирование нового двигателя.
После параметрического синтеза электропривода целесообразно его компьютерное моделирование с целью проверки правильности выполненных расчетов и внесения необходимой коррекции.
Затем происходит этап конструирования, на котором разрабатывается конструкция управляющего устройства, усилительно-преобразовательного устройства, электродвигателя, редуктора, датчиков, входящих в информационное устройство, если они не представляют собой покупные изделия.
Технические требования
Во введении были приведены общие требования к электроприводу. Здесь приведем технические требования, определяемые исполнительным механизмом или объектом управления, технической задачей, выполняемой механизмом, и внешними условиями эксплуатации.
1. Характеристики исполнительного механизма
1.1. Статический момент исполнительного механизма в зависимости от скорости вращения, от угла поворота или от времени. При случайном законе изменения момента – статистические характеристики.
1.2. Постоянный или переменный момент инерции объекта управления.
2. Условия эксплуатации.
2.1. Климатические условия: диапазоны температуры, влажности, давления воздуха, наличие агрессивных веществ.
2.2. Механические воздействия на электропривод: частота и амплитуда вибрации, ударные воздействия.
2.3. Наличие в воздухе пыли, грибков.
2.4. Наличие магнитных и электрических полей, электромагнитного излучения.
3. Характеристики питающей сети
3.1. Сеть постоянного тока.
3.1.1. Значение напряжения.
3.1.2. Стабильность напряжения или диапазон его изменения.
3.1.3. Наличие пульсаций напряжения и их величина.
3.1.4. Внутреннее активное сопротивление и индуктивность источника напряжения.
3.2. Однофазная сеть переменного тока.
3.2.1. Частота напряжения.
3.2.2. Стабильность частоты, диапазон ее изменения.
3.2.3. Значение напряжения.
3.2.4. Стабильность напряжения или диапазон его изменения.
3.2.5. Наличие и значение высших гармоник напряжения.
3.2.4. Внутреннее активное сопротивление и индуктивность источника напряжения или питающей сети.
3.2.5. Требования к коэффициенту мощности электропривода.
3.2.6. Требования к несинусоидальности потребляемого от сети тока.
3.3. Трехфазная сеть переменного тока.
3.3.1 – 3.3.6 повторяют п.п. 3.2.1 – 3.2.6.
3.3.7. Наличие нейтрального провода (зажима).
3.3.8. Возможная несимметрия напряжений.
3.3.9. Допустимая несимметрия фазных мощностей.
4. Характеристика режима работы электропривода по виду входного воздействия. Возможные варианты.
4.1. Система регулирования (стабилизации).
4.2. Электропривод программного движения.
4.3. Следящий электропривод.
4.4. Электропривод отработки больших рассогласований.
4.5. Сканирующий электропривод.
5. Вид регулируемой координаты. Возможные варианты.
5.1. Регулирование скорости вращения.
5.2. Регулирование угла поворота объекта управления.
5.3. Регулирование момента, приложенного к объекту управления.
5.4. Регулирование другой физической величины.
6. Тепловой режим работы электропривода. Возможные варианты.
6.1. Продолжительный режим работы.
6.2. Кратковременный режим работы.
6.3. Повторно-кратковременный режим работы.
6.4. Непериодический режим работы с заданной диаграммой момента нагрузки.
6.5. Момент нагрузки в виде случайного процесса.
6.6. Характерный закон движения объекта для расчета теплового режима.
7. Требования по надежности
7.1. Среднее время безотказной работы.
7.2. Интенсивность отказов.
7.3. Вероятность безотказной работы за заданное время.
8. Требования по погрешностям.
8.1. Статическая погрешность.
8.2. Кинетическая погрешность.
8.3. Динамическая погрешность.
8.4. Среднеквадратическая погрешность.
8.5. Температурная погрешность.
9. Требования к качеству переходного процесса.
9.1. Время переходного процесса
9.2. Декремент колебаний.
9.3. Допустимый динамический выброс при скачкообразном входном сигнале.
10. Ограничения по шуму.
11. Электромагнитная совместимость.
12. Диапазон регулирования скорости вращения.
13. Плавность движения.
14. Допустимый уровень высших гармоник в кривых токов, потребляемых электроприводом от сети.
Экономические требования к электроприводу
1. Общие экономические требования.
1.1. Электропривод должен быть дешевым.
1.2. Масса электропривода должна быть малой.
1.3. Габариты электропривода должны быть малыми.
1.4. Электропривод должен иметь высокую надежность.
1.5. Электропривод должен потреблять малую мощность от питающей сети.
1.6. Электропривод должен быть ремонтопригодным.
1.7. Электропривод должен быть удобным в эксплуатации.
1.8. Электропривод должен иметь высокий коэффициент полезного действия.
1.8. Электропривод, питаемый от сети переменного тока, должен иметь высокий коэффициент мощности (cos φ).
2. Показатель качества для оптимизации электропривода (один), который должен принять максимальное или минимальное значение. Возможные варианты.
2.1. Коэффициент полезного действия.
2.2. Производительность.
2.3. Средняя мощность, потребляемая от сети.
2.4. Объем и масса электропривода.
2.5. Стоимость изготовления и эксплуатации.
2.6. Среднеквадратическая погрешность.
2.7. Время выполнения требуемого движения.
3. Ограничения типа равенства и неравенства. Их может быть несколько. Возможные варианты.
3.1. Требуемая производительность рабочей машины.
3.2. Максимально допустимая мощность, потребляемая от сети.
3.3. Максимально допустимая масса или объем.
3.4. Стоимость изготовления и эксплуатации.
3.5. Допустимая среднеквадратическая погрешность.
3.6. Допустимое время отработки перемещения.
3.7. Максимально допустимая температура обмотки двигателя
ЛЕКЦИЯ 26
Выбор типа и параметров двигателя, передаточного и
усилительно-преобразовательного устройств
Выбор типа электродвигателя
Тип исполнительного двигателя зависит от вида напряжения электрической сети, от основной технической задачи, которую решает электропривод, от условий эксплуатации и экономических требований.
В простейших случаях тип двигателя совпадает с видом напряжения сети. Если имеется сеть постоянного тока, то применяется двигатель постоянного тока. В случае сети переменного тока используется асинхронный или синхронный двигатель. Управляющее устройство представляет собой секционированный реостат и ключи (контроллер) при ручном управлении или контакторы при дистанционном управлении.
При использовании усилительно-преобразовательного устройства в случае сети постоянного тока применяется мостовая схема (четыре силовых электронных ключа и широтно-импульсная модуляция) для питания двигателя постоянного тока или инвертор напряжения (частоты) при двигателе переменного тока.
Если питание происходит от сети переменного тока, то в случае двигателя постоянного тока применяется управляемый выпрямитель на тиристорах с фазовым управлением, а в случае двигателя переменного тока – неуправляемый выпрямитель, фильтр низкой частоты (звено постоянного тока) и инвертор напряжения (частоты), непрерывный или с широтно-импульсной модуляцией. В бесконтактных двигателях постоянного тока с синхронным электромеханическим преобразователем и для шаговых двигателей применяются электронные коммутаторы, формирующие импульсы напряжения низкой частоты.
Если электропривод является автоматизированным и выполняет сложную задачу управленияобъектом либо имеет широкий диапазон регулирования скорости, то необходимо при выборе типа двигателя учитывать его регулировочные характеристики.
Линейность механической характеристики является важным свойством двигателя. Высокой линейностью обладают двигатели постоянного тока независимого возбуждения, синхронные двигатели и асинхронные управляемые двигатели с полым ротором. Существенно нелинейные характеристики у двигателя постоянного тока последовательного возбуждения и у трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Следует заметить, что вследствие реакции якоря скоростная и механическая характеристики двигателей независимого и параллельного возбуждения несколько отличаются от прямолинейных.
Жесткость механической характеристики также является важным показателем двигателя. Синхронные двигатели при питании от независимого источника переменного напряжения имеют абсолютно жесткую характеристику. Высокую жесткость имеют двигатели постоянного тока независимого возбуждения, трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором в зоне малого скольжения, синхронные двигатели с питанием от зависимого инвертора частоты и с датчиком положения ротора. Низкая жесткость наблюдается у двигателей постоянного тока последовательного возбуждения, у асинхронных управляемых двигателей с полым ротором, при реостатном управлении двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями с фазным ротором..
Двухфазные асинхронные двигатели с полым ротором имеют хорошую динамику благодаря малому моменту инерции ротора, почти линейную механическую характеристику в двигательном режиме, все ее точки здесь имеют статическую устойчивость. Далее, такие двигатели не имеют самохода, т.е. при снятии напряжения управления двигатель останавливается. К недостаткам таких двигателей относятся повышенные потери энергии в роторе, низкий КПД, Шаговые двигатели позволяют строить разомкнутые системы, так как угол поворота ротора определяется разностью числа импульсов прямого и обратного вращения, которая вырабатывается реверсивным счетчиком импульсов Недостатком является низкий КПД, а также дискретность вращения, которая частично компенсируется при электрическом дроблении шага.
Пуск – торможение
Если исполнительный механизм требует частых пусков и остановов, то важным свойством двигателя становятся пусковые характеристики и возможность эффективного торможения, в частности, наиболее экономичного рекуперативного торможения с отдачей энергии в сеть. Наибольший пусковой момент имеет двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, но генераторный режим торможения ему не доступен. У двигателя независимого возбуждения приходится применять пусковой реостат либо пуск при пониженном напряжении для ограничения пускового тока и момента.
Напротив, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет небольшой пусковой момент. Для его увеличения применяют частотно-токовое управление и пуск с пониженной частотой напряжения либо пусковой реостат для асинхронного двигателя с фазным ротором. Асинхронные управляемые двигатели с полым ротором имеют большие угловые ускорения благодаря малому моменту инерции ротора.
Для пуска синхронного двигателя применяют специальные способы: пуск при помощи вспомогательного двигателя, частотный пуск с помощью инвертора частоты или асинхронный пуск при наличии пусковой обмотки на роторе.
Работа шагового двигателя состоит из пусков и остановок, он хорошо приспособлен для такого режима.
Условия эксплуатации предъявляют определенные требования к двигателю. Если электропривод работает в условиях разреженной атмосферы, при наличии агрессивных или взрывоопасных веществ, то применение коллекторных электрических машин или машин с контактными кольцами недопустимо. Здесь применяются бесконтактные двигатели.
Экономические требования делают перспективными трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, которые просты в конструкции и надежны. Поэтому комплектные асинхронные приводы с векторным управлением находят широкое применение. Однако их КПД ниже, чем у двигателей постоянного тока, низок также и коэффициент мощности cosφ. Асинхронные управляемые двигатели с полым ротором имеют большие значения активного сопротивления ротора и соответственно низкий КПД. Это же относится к реостатному управлению двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями.
Коллекторные машины сложны в изготовлении, капризны в эксплуатации по сравнению с электрическими машинами переменного тока. Они требуют обслуживания щеточно-коллекторного узла и периодическую замену щеток, что усложняет эксплуатацию, особенно при установке двигателя в труднодоступном месте. Кроме того, для питания двигателей постоянного тока необходим источник постоянного тока.
Применение синхронных и шаговых двигателей в ряде случаев позволяет обойтись разомкнутой системой управления без датчиков угла и скорости вращения, что упрощает и удешевляет электропривод. Однако сравнительно низкая скорость вращения ротора шагового двигателя приводит к низким массо-габаритным показателям.
Синхронные двигатели широко применяются в электроприводах самых разных рабочих машин и механизмов благодаря наличию таких преимуществ, как высокий коэффициент мощности 
, который может иметь значение 1 для электроприводов малой мощности и опережающий в установках большой мощности; а также высокий КПД.
Для каждого из приводов постоянного и переменного тока имеются сложившиеся области перспективного использования. Обычно в инженерной практике задача выбора рода тока для привода решается на основании сравнения нескольких альтернативных вариантов, оцениваемых с позиций теоретических знаний и практического опыта проектировщика.
Выбор мощности двигателя
Электродвигатель вместе с редуктором должен обеспечить динамику движения исполнительного механизма и ограничения двигателя по температуре. Это означает, что если на плоскости ''момент – скорость вращения'' задано некоторое множество возможных сочетаний M – ω (например, в виде эллипса), то механическая характеристика агрегата ''двигатель-редуктор'' должна лежать снаружи от этого множества, т.е. правее и выше него. Здесь может быть применена гипербола, соответствующая множеству сочетаний M – ω при постоянном значении мощности.
Далее, в зависимости от типа двигателя средняя или среднеквадратическая мощность на валу должна быть меньше номинальной, соответствующей тепловому режиму двигателя.
Следует обратить внимание, что обе указанные проверки должны обеспечивать запас по динамике и нагреву для переходных процессов при малых отклонениях и их отработке по сигналам системы управления.
Выбор типа и передаточного отношения редуктора
Сначала должен быть решен вопрос о необходимости применения редуктора. Редуктор позволяет уменьшить момент, массу, мощность потерь и стоимость электродвигателя. Однако применение редуктора приносит негативные моменты. Редуктор имеет собственную массу, мощность потерь, стоимость, и нужно рассматривать результирующий эффект его применения. Далее, редуктор имеет моменты сухого и вязкого трения, люфты в передаче, упругость элементов, через которые передается механическая мощность. Эти факторы могут ухудшить качество работы электропривода.
Безредукторный привод обладает уникальными свойствами при работе на подвижном основании при необходимости стабилизации пространственного положения объекта управления. При выключенном двигателе и уходе статора вместе с носителем ротор двигателя остается в покое, необходимо только скомпенсировать момент трения в опорах.
Зубчатые передачи классифицируются по форме линии зуба: прямозубые, косозубые и с винтовым зубом; по форме зубчатых колес: цилиндрические, конические и некруглые; по расположению зубьев: с внешним и внутренним зацеплением; по расположению осей: с параллельными, пересекающимися и перекрещивающимися осями; по окружной скорости: весьма тихоходные, тихоходные, скоростные и быстроходные.
Тип редуктора влияет на свойства движения и на КПД передачи, на ее массу и габариты. Цилиндрические одноступенчатые редукторы имеют передаточные отношения в пределах 2 – 6,3 и КПД 0,98 – 0,99. Цилиндрические двухступенчатые редукторы имеют передаточные отношения в пределах 8 – 40 и КПД 0,97.
Планетарные редукторы позволяют получить большое передаточное отношение в одной ступени, имеют малую массу и габариты, уравновешены и симметричны. Однако они имеют сложную конструкцию и малый КПД на больших передаточных числах. Планетарные одноступенчатые редукторы имеют передаточные отношения в пределах 6,3 – 12,5 и КПД 0,96 – 0,97. Планетарные двухступенчатые редукторы имеют передаточные отношения в пределах 25 – 125 и КПД 0,94 – 0,95.
Волновые передачи имеют сравнительно малую удельную массу, отличаются большим передаточным числом (80 – 300) и относительно большим КПД (0,8 – 0,9). Недостаток – сложная технология изготовления.
Червячные передачи имеют перекрещивающиеся валы. По массе и габаритным размерам червячные редукторы находятся на уровне двухступенчатых цилиндрических редукторов, но потери в 2,5 – 5 раз больше, а ресурс меньше в связи с большой скоростью червяка относительно червячного колеса. Возникают значительные осевые нагрузки. Достоинства: возможность получения больших передаточных чисел в одной ступени; плавность и бесшумность работы; возможность получения самотормозящихся передач.
Червячные одноступенчатые редукторы имеют передаточные отношения в пределах 80 – 250 и КПД 0,40 – 0,87. Червячные двухступенчатые редукторы имеют передаточные отношения в пределах 100 – 4000 и КПД 0,16 – 0,76. При увеличении передаточного числа КПД редуктора снижается.
Конические зубчатые колеса применяются для передачи вращения между пересекающимися осями.
Применение компенсации зазора с помощью упругих элементов увеличивает момент трения. Применение дифференциала для получения большой кратности скоростей усложняет конструкцию редуктора. Применение зубчатых колес с малым модулем повышает плавность хода, но снижает передаваемый момент. Выбор передаточного отношения связан с механическими характеристиками двигателя и исполнительного механизма. Агрегат двигатель-редуктор должен обеспечить динамику объекта управления и ограничения двигателя по нагреву, т.е. тепловой режим.
Выбор типа усилительно-преобразовательного устройства
Для питания обмотки возбуждения двигателя постоянного тока применяется нереверсивный транзисторный усилитель постоянного тока в линейном режиме при двигателях малой мощности. При больших мощностях применяется нереверсивный усилитель с широтно-импульсной модуляцией на IGBT транзисторе или на полевом транзисторе с изолированным затвором (MOSFET) с обратным диодом или управляемый выпрямитель на одном-двух тиристорах при сети переменного тока. Это же относится к питанию обмотки якоря нереверсивного двигателя с независимым возбуждением, с возбуждением от постоянных магнитов или двигателя последовательного возбуждения.
Для реверсивного питания обмотки якоря двигателя постоянного тока применяется мостовая схема линейного усилителя с комплементарным включением транзисторов для двигателей малой мощности. Для двигателей большой мощности применяется мостовая схема с четырьмя силовыми полупроводниковыми ключами на IGBT (MOSFET) транзисторах с обратными диодами или на четырех тиристорах в случае сети переменного тока.
Для питания трех фаз обмотки статора синхронного двигателя, входящего в состав бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ), применяется мостовая схема с тремя парами последовательно включенных полупроводниковых ключей, которые управляются сигналами от дискретного датчика положения ротора. В результате фазы питаются прямоугольными импульсами напряжения вместо синусоидальных напряжений, что вызывает протекание токов высших гармоник и увеличивает потери в обмотке. Далее, электромагнитный момент имеет пульсацию в зависимости от угла поворота ротора.
Для питания обмотки статора трехфазного синхронного двигателя напряжениями, изменяющимися по синусоидальным законам или по эквивалентным им законам, применяется независимый инвертор напряжения или независимый инвертор частоты. Он имеет информационный генератор трехфазной системы напряжений, три схемы широтно-импульсной модуляции, драйвер и мостовую схему с шестью силовыми ключами на IGBT- или MOSFET-транзисторах с обратными диодами. При трехфазной сети применяется неуправляемый выпрямитель, выполненный по шестифазной схеме с шестью полупроводниковыми диодами, и фильтр низкой частоты с реактором (катушкой индуктивности с сердечником) и с батареей конденсаторов.
Если синхронный двигатель входит в состав моментного электропривода, то применяется зависимый инвертор частоты, управляемый от непрерывных датчиков положения ротора (сельсина, синусно-косинусного вращающегося трансформатора). При этом обеспечивается определенный угол между продольной осью ротора-индуктора и осью магнитодвижущей силы обмотки статора. Частота инвертора определяется частотой вращения ротора двигателя. Здесь также применяется глубокая отрицательная обратная связь по току с помощью соответствующих датчиков.
Простейшие системы управления трехфазными асинхронными двигателями имеют три или шесть тиристоров, фазовое управление которыми позволяет регулировать напряжения на фазах обмотки статора. Частота напряжений совпадает с частотой питающей сети, в связи с чем диапазон регулирования скорости и КПД электропривода невысокие.
При частотно-токовом управлении трехфазными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором применяются зависимые инверторы частоты. Частота инвертора определяется как сумма частоты вращения ротора и взятой со знаком момента оптимальной частоты скольжения.
При векторном управлении частота инвертора определяется частотой вращения ротора и частотой скольжения, вычисляемой устройством управления. Поперечная составляющая тока статора определяется требуемым электромагнитным моментом, а продольная – требуемой величиной потокосцепления ротора, по которому ориентируется вращающаяся система координат.
При построении усилительно-преобразовательного устройства с широтно-импульсной модуляцией важным вопросом является выбор частоты импульсов. Для УПУ желательно уменьшение частоты импульсов, так как мощность потерь в силовых ключах прямо пропорциональна этой частоте. Для двигателя, напротив, желательно увеличение частоты импульсов, при этом снижается амплитуда пульсации токов и дополнительные потери в обмотке.
Для питания фаз обмотки шагового двигателя применяется генератор импульсов, распределитель импульсов и силовые полупроводниковые ключи по числу фаз шагового двигателя. В случае шагового двигателя с реактивным ротором используют нереверсивные ключи, каждый из которых имеет один силовой транзистор и обратный диод. Если шаговый двигатель имеет постоянные магниты или обмотку возбуждения, то применяются реверсивные ключи, построенные по мостовой схеме