Системы управления исполнительными механизмами

Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Бесколлек-

торные двигателя постоянного тока (БДПТ) с возбуждением от постоянных магнитов (brush-less direct current motor with permanent magnets) часто еще называют вентильными двигателями (ВД). При контроле и преобразовании координаты положения ИМ их приня-

то называть сервоприводами постоянного тока.

Эта машина по своей конструкции ничем не отличается от классического синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ), изменен лишь принцип питания. Если СДПМ питается от источника переменного тока или напряжения, как правило, формируемого при помощи ШИМ, то ВД – трапецеидальным напряжением, питающим соответствующие фазы двигателя и переключаемым по мере поворота ротора.

Являются приводами ЭИМ с переменной скоростью. Функ-

циональная схема электродвигателя приведена на рис. 4.7.

чен для выработки сигналов управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора.

Управление двигателем основано на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от

102

положения ротора. Данный тип двигателей был создан с целью улучшения свойств коллекторных электродвигателей постоянного тока.

Бесколлекторный двигатель объединяет в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

Основными достоинствами вентильных двигателей являются следующие:

–высокие быстродействие и точность позиционирования;

–широкий диапазон изменения частоты вращения;

–большая перегрузочная способность по моменту;

–большой срок службы, высокая надежность и повышенный ресурсработыза счетотсутствия скользящих электрических контактов;

–низкий перегрев электродвигателя при работе в режимах

свозможными перегрузками;

–высокая надежность работы, поскольку отсутствует щеточный узел;

–большой ресурс электродвигателя ограничен в основном только ресурсом подшипников;

–линейность регулировочной характеристики и меньший уровень электромагнитного шума по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока;

–применение в конструкции электродвигателя балансировочных колец потенциально может обеспечить стабильность работы при очень высоких скоростях вращения (десятки тысяч оборотов в минуту).

–отсутствие искрообразующих элементов и, как следствие, высокая взрывобезопасность делают бесколлекторные двигатели идеальным силовым элементом в запорном оборудовании нефте- и газопроводов.

Бесколлекторные двигатели не имеют недостатков, присущих асинхронным двигателям (потребление реактивной мощности, потери в роторе) и синхронным двигателям (пульсация частоты вращения, выпадение из синхронизма). В отличие от шаговых двигателей БДПТ не требует сложных схем управления.

103

Как и у коллекторных двигателей, момент бесколлекторных двигателей прямо пропорционален току, а скорость зависит от напряжения питания и нагружающего момента.

СУИМ на основе БДПТ находят широкое применение в робототехнике, поскольку наличие встроенного датчика угла поворота позволяет создавать обратную связь по положению рабочих органов и делает бесколлекторный двигатель удобным при построении систем автоматического управления.

БДПТ на российском рынке представлены несколькими сериями, в частности сериями FL42BLS (питание напряжением

~24 В), FL57BL(S) (питание напряжением ~36 В), FL86BLS (пита-

ние напряжением ~48 В) мощностью от 26 до 660 Вт и скоростью вращения 3–4 тыс. об/мин. Серии FL57BL-JB и FL86BLS-JB име-

ют встроенный редуктор с коэффициентом редукции от 20 до 1333, некоторые серии имеют встроенные блоки управления (драйверы), формирующие управляющие сигналы «разрешение», «направление» и «торможение».

На российский рынок БДПТ поставляются НПФ Stepmotor, НПФ «Электропривод», НПО «Атом» и др.

В табл. 4.1 в качестве примера приведены характеристики бесколлекторных электродвигателей серии FL42BL.

Таблица 4.1 Характеристики бесколлекторных электродвигателей FL42BL

Окончание табл. 4.1

можно пренебречь, поскольку переключение осуществляется полностью управляемыми бесконтактными ключами;

–быстродействие БДПТ много выше, чем быстродействие ИМ (быстродействие изменения положения РО);

–быстродействие БДПТ много выше, чем быстродействие изменения технологических координат СУИМ (температуры, давления, расхода, уровня и др.);

–механическая характеристика двигателя жесткая, во многом похожа на характеристику коллекторного ДПТ.

105

С учетом изложенного математическую модель привода можно рассматривать безынерционной пропорциональной, т.е.

передаточная функция БДПТ имеет вид

где ω(р) – скорость вращения электродвигателя, рад/с; Uп(р) – среднее значение напряжения питания обмоток, В; KБДПТ – коэффициент передачи БДПТ, рад/В·с.

Асинхронные двигатели. Асинхронные двигатели относятся к двигателям переменного тока, принимающим главенствующее участие в управлении технологическими процессами и производственными установками (более 70 % всех ЭИМ оснащены именно ими). Различают:

–асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР), питающиеся от трехфазной сети переменного тока

(~220 В и более);

–асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР), питающиеся от трехфазной сети переменного тока (~220 В и более);

–асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и дополнительной пусковой обмоткой на статоре, питающиеся от однофазной сети переменного тока (~220 В и более).

106

Функциональные схемы асинхронных двигателей ЭИМ приведены на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Функциональные схемы асинхронных двигателей: а – АДКР; б – АДФР; в – АДКР с однофазным питанием; ~U1 – переменное напряжение статорной обмотки (трехили однофазное); M – вращающий момент; Mc – момент сопротивления на валу двигателя; ω – скорость вращения двигателя; Р – рабочая обмотка; П – пусковая обмотка; С – емкость фазосдвигающего элемента (подбирают таким образом, чтобы

токи в рабочей и пусковой обмотках различались по фазе на 90°)

Эти электродвигатели работают как в системах постоянной, так и в системах переменной скорости ИМ.

Скорость n2 вращения ротора асинхронной машины отстает от скорости n1 поля статора и может быть определена по формуле

[17–19]

где f1 – частота питающего напряжения, т.е. частота вращения поля статора (Гц), f1 1 2 , ω1 – угловая частота поля статора (рад/с); P – число пар полюсов статора; S – относительное скольжение поля ротора, S n1 n2 n1.

Из формулы (4.14) видно, что скорость вращения асинхронного двигателя можно менять тремя способами:

107

–изменением частоты f1 питающего напряжения;

–изменением числа полюсов двигателя; для этого в пазы статора закладывают обмотку, которую можно переключать на различное число полюсов;

– изменением скольжения. Этот способ можно применить

васинхронных двигателях с фазным ротором, для этого в цепь ротора включают регулировочный реостат.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР) имеют простую конструкцию и надежны в эксплуатации вследствие отсутствия щеточного контакта. Недостатком АДКР является трудность регулирования их частоты вращения, поскольку в энергетическом плане необходимо одновременно с изменением частоты изменять и напряжение питающей сети.

Чтобы реверсировать трехфазный асинхронный двигатель (изменить направление вращения двигателя на противоположное), необходимо поменять местами две фазы, т.е. два любых линейных провода, подходящих к обмотке статора двигателя.

Всилу природы электромагнитных процессов, обеспечивающих взаимодействие статорной и роторной обмоток, и нелинейности преобразования подводимой электрической энергии в механическую энергию вращения ротора электродвигатели описываются нелинейными векторными дифференциальными уравнениями [17].

Можно много говорить о допущениях, позволяющих или не позволяющих свести модели электродвигателей переменного тока как объектов управления к тем или иным моделям, но применительно к учебной дисциплине «СУИМ» имеет смысл учесть место ЭИМ в структуре СУИМ и специфику работы электродвигателей

вразличных системах постоянной и переменной скорости. Рассмотрим основные аспекты применения АДКР.

Асинхронные трехфазные общепромышленные электродви-

гатели с короткозамкнутым ротором применяются во всех отраслях промышленности, в электроприводах различных устройств, механизмов и машин. Работают как в системах постоянной, так и в системах переменной скорости ИМ.

108

Асинхронные двигатели общепромышленного назначения изготавливаются в основном (базовом) и модифицированных исполнениях. Основное (базовое) исполнение – двигатель монтажного исполнения IM1001 (1081), климатическое исполнение У3, для режима работы S1, с типовыми техническими характеристиками, соответствующими требованиям стандартов. Внешний вид электродвигателя приведен на рис. 4.10.

В отечественной промышленности выпускаются трехфазные АДКР общепромышленного назначения серий АИР, АИРМ, 5А, 5АМ, 5АМХ, А, АИ, 5АИ, АД, АДМ, АИС, 6А. Модифицированное исполнение – двигатель, изготовленный на основе узлов основных (базовых) двигателей с необходимыми конструктивными отличиями по способу монтажа, степени защиты, климатическому исполнению и другими отличиями. Двигатели специального назначения – двигатели, предназначенные для узкоспециализированного применения: лифтов, транспорта, талей и т.д.

При использовании таких двигателей в ЭИМ постоянной скорости реализуют непосредственное подключение статорной обмотки к сети с помощью контактного или бесконтактного (симисторного) реверсивного пускателя. В этом случае пренебрегают как электромагнитными, так и электромеханическими процессами в двигателе и модель двигателя в осях «частота пи-

тающего напряжения – частота вращения ротора» представляют в виде масштабирующего звена

При использовании таких двигателей в ЭИМ переменной ско-

рости реализуют либо фазовое, либо частотное управление. В таких ЭИМ доминируют трехфазные АДКР. При этом применяют различные аппроксимированные модели электродвигателей.

АД представляет собой систему магнитно-связанных обмоток, расположенных на статоре и роторе. При вращении ротора взаимное положение обмоток статора и ротора непрерывно меняется, что приводит к изменению взаимной индуктивности и, соответственно, потокосцеплений статора и ротора. Математическая модель АД при этом становится достаточно сложной [17–19] и требует обоснованного упрощения.

Общепринятыми являются следующие допущения:

–воздушный зазор равномерен;

–насыщение магнитной цепи отсутствует;

–намагничивающие силы обмоток распределены синусоидально вдоль окружности воздушного зазора;

–обмотки статора и ротора строго симметричны, и их оси сдвинуты в пространстве на 120°;

–потери на гистерезис и вихревые токи отсутствуют.

Часто пренебрегают электромагнитными процессами в двигателе, полагая, что в зоне малых отклонений координат электродвигатель представляет собой линейное апериодическое звено первого порядка:

где KАДКР – коэффициент передачи АДКР, определяемый по формуле KАДКР н U1н ; ωн, U1н – номинальные значения соответст-

венно угловой скорости и напряжения питания; ТАД – постоянная времени электродвигателя, снимаемая по апериодической кривой разгона двигателя за время разгона tр: ТАД = tp/4.

В тех случаях, когда нельзя пренебречь влиянием электромагнитных процессов на динамику электродвигателя, модель электродвигателя как элемента СУИМ с частотным или фазовым

110