ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.04.2020
Просмотров: 3536
Скачиваний: 5
Управляемый полупроводниковый диод (тиристор) проводит ток в прямом направлении лишь при наличии управляющего сигнала, в противном случае он заперт [1, 7, 9]. Применение диода и вентильных преобразователей тиристора позволило создать бесконтактные двигатели ПТ, в которых щеточно-коллекторный узел заменен надежной полупроводниковой схемой. В коллекторных малоинерционных двигателях ПТ подобные преобразователи используются для преобразования переменного входного напряжения в постоянное. Также они используются в схемах стабилизации угловой скорости, что позволяет получить коммутацию без искрения, увеличивая срок службы щеток в 2—3 раза и стабильность характеристик двигателя.
Системы электроприводов постоянного тока являются реверсивными. Реверсивный преобразователь должен обеспечить протекание тока в обоих направле-
ниях. Так как рассматриваются двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (то есть с независимым возбуждением), то для обеспечения реверса (изменения направления вращения вала двигателя) необходимо изменить направление тока в цепи якоря двигателя. Этого можно достигнуть двумя способами. Первый предполагает использование одного комплекта тиристоров, но при этом необходимо в главную цепь включить переключатель (реверсор), так как тиристор пропускает ток лишь в одном направлении. Второй предполагает использование двух комплектов тиристоров, каждый из которых пропускает ток в определенном направлении [9].
При работе следящего электропривода ПР иногда требуется быстрая остановка механизма и последующее реверсирование, поэтому вентильные преобразователи должны наряду с выпрямлением осуществлять и торможение.
Существуют разновидности схем включения двухкомплектных тиристорных преобразователей [9].
3.1.2 А с и н х р о н н ы е д в и г а т е л и . Наряду с двигателями ПТ в электроприводах применяются асинхронные двигатели (АД), однако их применение: пока ограничено. Это объясняется сложностью и высокой стоимостью электронных преобразователей, применяемых для регулирования частоты вращения. Тем не менее в ПР, грузоподъемностью свыше 40 кг их использование вполне оправдано.
В зависимости от вида напряжения питания и обмотки статора различают двух- и трехфазные АД.
Принцип действия двухфазного АД: на статоре расположёны две обмотки возбуждения (ОВ) и управления (ОУ), которые смещены в пространстве одна относительно другой на 90°. Обмотка возбуждения питается от сети переменного тока, а обмотка управления — переменным напряжением, причем оно сдвинуто по фазе относительно другой на 90°: так как в цепь ОУ включена емкость С. Амплитуда напряжения управления меняется в зависимости от изменения управляемой величины, а амплитуда напряжения возбуждения остается постоянной. Ротор АД выполняется короткозамкнутым; (обычно в виде «беличьей клетки»). При взаимо-действии полей индукционных токов, наводимых в роторе, с эллиптическим результирующим полем статора в двигателе возникает вращающий момент, приводящий в движение ротор.
В динамическом отношении двухфазный АД относительно частоты вращения можно считать апериодическим звеном.
3.1.3 В е н т и л ь н ы е д в и г а т е л и . Вентильные двигатели (ВД) представляют собой электропривод с синхронным двигателем и инвертором, управление которым зависит от угла поворота ротора двигателя.
3.1.4 С и н х р о н н ы й д в и г а т е л ь . Синхронный двигатель (СД) является двигателем переменного тока, угловая скорость которого определяется частотой сети. Обмотка статора СД создает вращающееся магнитное поле. Она может быть выполнена трехфазной, двухфазной с пусковой емкостью (как у АД) или однофазной. Конструкция ротора определяет тип СД: с возбуждением от явнополюсных электромагнитов, от постоянных магнитов, гистерезисный, реактивный, субсинхронный, синхронный с катящимся (или волновым) ротором [3, 13].
Принцип действия СД с возбуждением от постоянных магнитов: вращение ротора вызывается взаимодействием поля ротора и вращающегося поля обмотки статора. Если угловые скорости полей и число пар полюсов на статоре и роторе равны, то между разноименными полюсами статора и ротора возникает электромагнитное притяжение, которое вызывает появление электромагнитного момента, называемого синхронным. Режим равенства скоростей полей называется синхронным. Если угловая скорость ротора не равна синхронной, то синхронный момент близок к нулю. Поэтому для запуска СД на его роторе конструируют дополнительную короткозамкнутую обмотку («беличья клетка»), с помощью которой ротор увеличивает угловую скорость и входит в режим синхронизации. Частота вращения СД равна частоте вращения поля статора. Отсюда следует, что регулировать частоту вращения nлв СД можно двумя способами: или изменением числа полюсов 2р, или изменением частоты питающего напряжения. Первый способ в большинстве случаев нецелесообразен, так как приводит к усложнению конструк-
ции. Поэтому применяют второй способ.
В электроприводах, отличающихся высоким моментом инерции приводного
механизма и требующих быстрого изменения режимов работы и обеспечения реверса, необходимо плавно менять частоту напряжения, питающего СД, чтобы СД не выходил из синхронизма. Это достаточно сложно, особенно в тех случаях, когда начальная частота составляет доли герц, а затем возрастает до максимального значения. При этом целесообразно применять метод частотного регулирования с самосинхронизацией. Он подразумевает управление преобразователем частоты от системы датчиков положения ротора. Вентильные двигатели могут получать питание от сети как постоянного, так и переменного тока [3, 9].
Тиристорный преобразователь питается от сети постоянного тока и формирует трехфазное напряжение меняющейся частоты, которое подается в трехфазную обмотку (А, В, С) статора двигателя.
В напряжении, поступающем в обмотку статора от преобразователя частоты, содержатся высшие гармоники, для уменьшения их влияния в двигатель включают мощную демпферную обмотку.
Выходное напряжение инвертора не зависит от режима работы двигателя, поэтому управление осуществляется при постоянном угле нагрузки, то есть угле между потоком возбуждения и суммарным магнитным потоком, сцепленным с каждой из фаз. Его можно определять по положению оси полюсов ротора с помощью какого-либо датчика, который, например, может быть выполнен в виде вспомога- тельной асинхронной машины [9]. Если ВД питается от сети переменного трехфазного тока, то возможно при-менение преобразователя частоты с тиристорным выпрямителем [3, 9].
Использование ВД позволяет осуществить и бесщёточное возбуждение [3, 9], что увеличивает частоту вращения до 4500—6000 об/мин и надежность двигателя.
Рассмотренные ВД имеют улучшенные массогабаритные характеристики. Оригинальная конструкция ротора позволяет снизить электромеханическую постоянную времени двигателя, то есть уменьшить его инерционность. Использование широтно-импульсных (или частотно-импульсных) преобразователей для управления двигателем обеспечивает высокую равномерность вращения и при малых скоростях, а это позволяет повысить точность позиционирования роботов. Надежность ВД существенно зависит от надежности преобразователей частоты, в которые включено большое число полупроводниковых элементов. Развитие современной элементной базы и создание мощных тиристоров позволит обеспечить надежную эксплуатацию ВД в производственных условиях.
3.1.5 Ш а г о в ы е д в и г а т е л и . Все большее распространение в ПР получает дискретный привод с шаговыми двигателями (ШД), который через механическую передачу соединяется с исполнительным механизмом. Принцип действия ШД основан на дискретном изменении магнитного поля в зазоре машины. При периодических переключениях обмоток статора ШД магнитодвижущая сила (МДС) статора поворачивается на определенный угол (шаг), вызывая поворот ротора на тот же шаг.
Применение ШД дает возможность преобразовать управляющие импульсные сигналы в угол поворота вала без датчика обратной связи.
Существует много разновидностей ШД, отличающихся и по способу управ-ления, и по принципу действия, и по конструкции. Требованиям устойчивости движения, быстродействия и надежности наилучшим образом удовлетворяют синхронные двигатели с активным или реактивным ротором.
Принцип действия ШД с многофазной обмоткой на статоре и ротором в виде постоянного магнита: если подавать однополярные импульсы напряжения последовательно в фазы 1, 2, ..., m, то ротор будет поворачиваться на угол, при котором его ось совпадает с осями фаз 1, 2, .... n. При этом ротор имеет m устойчивых состояний, определяемых направлением вектора МДС. Шаг при этом равен 2п/m [1,3, 13].
Если подавать импульсы напряжения на две соседние фазы, то направление вектора МДС совпадает со средней линией между этими фазами. Если подать импульсы напряжения на три фазы, то ротор займет положение, совпадающее с осью средней фазы. Следовательно, если включать поочередно четное и нечетное число фаз, то ротор двигателя будет иметь 2m устойчивых положений, а шаг будет равен п/m. Как правило, статор выполняется явнополюсным, вокруг полюсов укладываются катушки двух-, трех- или четырехфазной обмотки. Ротор выполняется в виде постоянного магнита без полюсных наконечников.
В динамике ШД следует рассматривать как нелинейный импульсный элемент. В каждом конкретном случае его передаточная функция определяется и способом управления, и параметрами других устройств, входящих в систему электропривода [8].
3.2 Датчики
В соответствии со схемой электропривода ПР, приведенной на рисунке 1, рассмотрим датчики скорости (ДС) и датчики угла (ДУ). Характеристики датчиков, как чувствительных элементов системы электропривода ПР, должны удовлетворять требованиям максимальной чувствительности (коэффициент преобразования), малой инерционности, стабильности, а также линейности и однозначности статической характеристики (вход—выход). По виду электрической выходной величины электрические датчики неэлектрических величин можно классифицировать на генераторные (выходная величина — ЭДС или ток) и параметрические (выходная величина — индуктивность, емкость или резистивное сопротивление). По типу сигналов датчики делятся на аналоговые и цифровые.
3.2.1 Т а х о г е н е р а т о р ы. В качестве датчиков скорости в электроприводе ПР, как правило, применяют тахогенераторы постоянного тока (ТГ ПТ) и асинхронные тахогенераторы (АТГ). Возможно применение и дифференциального трансформаторного датчика.
По существу ТГ представляет собой электрическую машину постоянного тока или асинхронную машину, вал которой соединен с выходным валом двигателя: угловая скорость сор (частота вращения) его измеряется, а выходное напряжение пропорционально этой скорости. Чувствительность ТГ ПТ составляет 15—25 мВ/(об/мин), а для АТГ—2—5 мВ/(об/мин). Точность измерения частоты вращения составляет 0,5—2,5%, а для прецизионных ТГ — 0,05—0,1%. Дополнительная температурная погрешность не превышает 0,4%. Выходное напряжение ТГ ПТ при
номинальной угловой скорости равно 50 В, а у АТГ — 10—60 В.
В динамике ТГ описывается передаточной функцией апериодического звена.
Наибольшее распространение в качестве датчиков угла (ДУ) в электроприводах ПР получили потенциометрические, индукционные, кодовые и импульсные датчики. Первые два класса относятся к аналоговым, а вторые — к цифровым. Из индукционных датчиков широко используются вращающиеся трансформаторы и сельсины. Современный уровень развития аналого-цифрового преобразования позволяет оснащать ПР аналоговыми датчиками и получать при этом точность управления не ниже, чем при использовании цифровых датчиков.
3.2.2 П о т е н ц и о м е т р и ч е с к и е д а т ч и к и. Эти датчики преобразуют угловое перемещение а движка в выходное напряжение . Используются проволочные и пленочные потенциометры. Проволочные делятся на одно- и многооборотные, а пленочные на металлопленочные и полупроводниковые. Конструктивное исполнение которых различно.
Статическая характеристика потенциометрических датчиков нелинейна; ее
нелинейность тем больше, чем выше активное сопротивление нагрузки и полное
сопротивление потенциометра.
Точность проволочных датчиков может составлять 0,05%; их недостаток — ступенчатость характеристики из-за дискретного изменения сопротивления при перемещении щетки движка. Пленочные потенциометры наиболее точны — класс точности достигает 0,01%.
Стабильность датчиков характеризуется температурным коэффициентом, который для проволочных датчиков составляет (50—70)106 1/град, а непроволочных — (100—1000)106 1/град.
Для обеспечения стабильности работы датчики должны иметь сопротивление, превышающее 1000 Ом.
Срок службы потенциометрических датчиков в среднем составляет (2—20)106 циклов при частоте вращения движка 100—150 об/мин.
3.2.3 В р а щ а ю щ и е с я т р а н с ф о р м а т о р ы (ВТ). Это электрические машины переменного тока с неявно выраженными полюсами. В статоре и роторе укладываются по две взаимно перпендикулярные обмотки. Такой ВТ называют синусно-косинусным (СКВТ). При подаче в одну из первичных обмоток СКВТ переменного напряжения во вторичных обмотках и наводятся ЭДС .
Статическая характеристика ВТ является синусной (косинусной), но при малых углах (порядка 5°) с точностью до 0,1% ее можно считать линейной. Для расширения линейного участка статической характеристики прибегают к специальным схемам включения [3]. При этом в пределах изменения угла поворота ±55° погрешность отклонения статической характеристики от линейной составит 0,1%. В СКВТ закон изменения выходного напряжения может отклоняться от синусоидального из-за технологических и конструктивных факторов. Эта погрешность для разных типов СКВТ составляет 0,2—0,02%.
Точность измерения углов СКВТ довольно высока, для некоторых типов трансформаторов погрешность достигает ±(2—З) минуты. Чувствительность ВТ примерно равна 1 В/град [1,8].В динамике ВТ можно рассматривать как безынерционные звенья.