Особенности применения сервоприводов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Исследование принципов функционирования электрических сервоприводов, применяемых в технологическом оборудовании

 

 

Введение

 

Лабораторная работа предназначена для изучения принципов функционирования электрических сервоприводов, применяемых в системах управления технологическим оборудованием.

 

Указания по организации самостоятельной работы

 

Перед работой необходимо ознакомиться с устройством и принципом функционирования синхронных двигателей. При подготовке к лабораторной работе необходимо дополнительно руководствоваться учебными пособиями по курсам «Аналоговая и цифровая схемотехника».

Определение сервопривода

Прогресс в областях электроники и используемых в электротехнике материалов изменили ситуации в технике привода. До сих пор в сервотехнике применялись в основном двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. Главный недостаток двигателей переменного тока по сравнению с двигателями постоянного тока состоит в ограниченной возможности регулирования скорости. Последние достижения в области электроники, особенно в микроконтроллерах, позволяют компенсировать этот недостаток путем использования современных средств управления.

В настоящее время происходит смещение акцентов в приводных системах от двигателей постоянного тока к двигателям переменного тока. Тенденция прехода к синхронным двигателям переменного тока особенно очевидна в сервосистемах, которые почти всегда выполнялись с использованием электроприводов постоянного тока.

Новые мощные постоянные магниты, изготовленные из сплавов неодим-железо-бора и самарий-кобальта благодаря их высокой энергоемкости, могут существенно улучшить характеристики двигателя при одновременным снижением массо-габаритных показателей электрических машин.

В итоге улучшаются динамические характеристики привода и снижаются его габариты.

В современной приводной технике во многих случаях предъявляются высокие требования к:

- погрешности позиционирования;

- погрешности стабилизации скорости;

- широкому диапазону регулирования;

- стабилизации момента вращения;

- перегрузочной способности;

- высокой динамике.

Требования к динамике, т.е. поведению привода во времени, складываются из все ускоряющихся процессов обработки, увеличению циклов обработки и связанной с ними производительности машины. Высокая точность очень часто определяет возможность использования систем электропривода в новых технологиях.

Этим требованиям должны отвечать современные высокодинамичные системы привода. Сервопривод - это система привода, которая в широком диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы и обеспечивает хорошую их повторяемость.

 

Развитие сервоприводов

Первоначально на рынке доминировали пневматические и гидравлические сервоприводы. Привод постоянного тока получил распространение в 60-х годах, с развитием полупроводниковой техники.

С точки зрения требований динамики развитие сервоприводов проходило в направлении создания двигателей постоянного тока с малым моментом инерции. В основу получения малого момента инерции ротора были положены два решения. Первое предполагало реализацию якоря двигателя в виде тонкого плоского диска, не содержащего железо, второе – основывалось на получении цилиндрического немагнитного якоря. В обоих случаях в начале 70-х годов стали широко применять постоянные магниты из редкоземельных материалов, обеспечивающих получение повышенного значения индукции в воздушном зазоре и высокого крутящего момента.

При этом использовались несколько типов выходных каскадов? Сначала – линейные усилители с силовыми транзисторами и выходным напряжением приблизительно до 100 В. Позже – тиристорные преобразователи, которые применялись до конца 70-х годов, когда им на смену пришли импульсные преобразователи постоянного тока на ключевых транзисторах. Это сопровождалось значительным повышением изначально низкого коэффициента полезного действия электронных источников питания. Напряжение, которое могло быть получено на выходе электронных источников питания ограничивалось приблизительно на уровне 200 В из-за низкого допустимого напряжения транзисторов и ограничения напряжения между коммутируемыми сегментами коллектора двигателя.

Транзисторные преобразователи, как правило, подключали к сети через трансформатор. Это позволяло осуществить согласование выходного напряжения преобразователя с питающей сетью. Управление как скоростью, так и моментом были аналоговыми, со всеми вытекающими из этого проблемами помехоустойчивости (восприимчивости низковольтных сигналов к наводкам) в широком диапазоне регулирования скорости, характерном для сервоприводов. Для измерения действительной скорости в канале обратной связи применялись тахогенераторы постоянного тока.

Развитие преобразователей частоты, первоначально реализуемых на тиристорах, позднее на силовых транзисторах, привело к повышению использования малоизнашиваемых асинхронных стандартных двигателей переменного тока для приводов с невысокими требованиями по точности управления.

Исследования бесщеточных двигателей, которые могут быть использованы в сервоприводах, были начаты с середины 70-х годов. В противоположность обычной компоновки двигателя постоянного тока разработчики пришли к перспективному новому решению: якорь на статоре, поле возбуждения на роторе. Так появились бесщеточные двигатели постоянного тока, или двигатели с электронной коммутацией.

Эти электрические машины принципиально представляют собой синхронные двигатели CД с постоянными магнитами, в которых положение ротора контролируется простым импульсным датчиком положения (инкодером), производящим 6 импульсов на оборот, по числу полюсов СД.

В дополнение к электронной бесконтактной коммутации и низкому износу, этот тип привода имеет следующие преимущества:

- пониженный момент инерции из-за отсутствия обмотки на роторе,

- простота охлаждения, так как отвод тепла от статора предпочтительнее, чем от ротора,

- повышеный КПД, так как нет потерь, связанных с обмоткой возбуждения.

Электронная коммутация секций обмотки статора производится каждые 60 электрических градусов и осуществляется датчиком положения ротора ДПР. Как и коммутация с помощью коллектора в двигателях постоянного тока этот принцип коммутации также реализуется в виде устройства коммутации и имеет блочное исполнение. Для управления скоростью двигателя необходим дополнительный датчик скорости, например тахогенератор.

Параллельно с этим развивалось также и направление по применению асинхронного двигателя переменного тока в качестве бесщеточного сервопривода. Этот тип двигателя дешев в производстве и имеет дополнительное преимущество с возможностью управления в диапазоне ослабления поля.

С другой стороны, с разработкой бесщеточных двигателей проводились теоретические исследования по так называемой синусной коммутации сервопривода. Принципиально двигатель с синусной коммутацией представляет собой СД с постоянными магнитами, со всеми преимуществами, указанными выше. Однако, датчиком положения ротора в этом случае служит резольвер, выходными синусоидальными сигналами которого управляется ток статора машины.

Указанные выше все три типа бесщеточных приводов используются в настоящее время и обеспечивают почти полную замену приводов со щетками с начала 90-х годов. Решающим фактором этих успехов явился прогресс в области полупроводниковой техники. Развитие высокой степени интеграции, высокоскоростных процессорных систем и модулей энергонезависимой памяти облегчило внедрение цифрового управления. Во всяком случае, функциональные задачи, встречающиеся более или менее часто в индивидуальных технических системах, не так сильно сказывались на цене. Внедрением индивидуального программного обеспечения удалось избежать увеличения количества аппаратных модулей.

Силовые модули в системах управления для всех трех типов бесщеточных приводов основаны на следующем: преобразователь частоты (инвертор), управляемый датчиком положения ротора двигателя, предпочтительнее, чем инвертор с независимым управлением, используемый для стандартных двигателей переменного тока. Функциональные различия состоят только в наличии замкнутой и разомкнутой обратной связи в системе управления. Развитие силовых транзисторов с начала 90-х годов сделало также возможным подключать системы управления сервоприводами (сервоконтроллеры) непосредственно к сети без использования сетевого трансформатора.

 

Особенности применения сервоприводов

 

Сервопривод первоначально применялся только в машиностроении при инструментальной обработке материалов. Однако его потенциал был очень быстро реализован в начале 70-х годов в результате расширения областей обработки, развития промышленных роботов и систем автоматизированной сборки.

В противоположность инструментальной обработке, замена пневматического и гидравлического оборудования шла медленнее, часто из-за больших различий в требованиях к размещению привода. В промышленности обработки материалов и робототехнических системах сначала использовались двигатели постоянного тока с дисковыми роторами совместно с низколюфтовыми планетарными редукторами или другими типами компактных редукторов, обеспечивающих минимизацию массо-габаритных показателей привода. Позднее двигатели постоянного тока с дисковыми роторами были заменены бесщеточными двигателями.

Теперь, когда автоматизация полностью охватила все области машиностроения, доминируют электроприводы, и механика машин сильно упростилась с использованием современных индивидуальных приводов взамен центрального привода. В результате расширился рынок сервоприводов. Сегодня трудно найти сферу деятельности, где нет применения сервоприводам.

Наиболее важные среди них:

- изготовление бумаги,

- изготовление металлического листа,

- упаковка,

- обработка материалов,

- подъемно-транспортное оборудование,

- деревообработка,

- производство строительных материалов.

Сервоприводы широко используются в различных областях, и не все применения имеют высокую динамику. Однако возможности получения высокостабильного или точного управления, широкий диапазон регулирования скорости, высокая помехоустойчивость, малые габариты и вес часто являются решающим фактором их применения.

Благодаря современным цифровым технологиям, сервоприводы сегодня использовать намного легче, чем несколько лет назад. Цифровые технологии предлагают широкий выбор ориентированных на специальное применение возможностей, большое разнообразие устройств связи с объектами (как напрямую, так и через шины интерфейсов) и возможность использовать персональный компьютер для контроля, оптимизации и автоматической настройки привода.

 

Компоненты сервопривода

 

На рис.3.1 показаны компоненты сервопривода:

 

 

1 Двигатель с редуктором или без него

2 Система обратной связи (датчик)

3 Тормоз (при необходимости)

4 Сервоусилитель

5 Управляющая система для внешнихустановочных входов

6 Сетевой кабель

7 Кабель двигателя

8 Кабель тормоза

9 Кабель резольвера (датчика)

10 Кабель управления

Рисунок 3.1 – Компоненты системы автоматизации на базе сервопривода

 

Еще несколько лет назад сервоприводы выполнялись с использованием бесщеточныхдвигателями с постоянными магнитами. Их преимуществами по сравнению с приводами постоянного тока являются:

- хорошее соотношение цена/мощность;

- хорошие массогабаритные показатели;

- длительный срок службы;

- высокая перегрузочная способность.

Серводвигатели могут быть разделены на несколько групп (рис.3.2):

 

Рисунок 3.2 – Классификация серводвигателей

 

Указанные системы привода отличаются конструкцией двигателя, конструкцией управляющей системы и типом обратной связи. Здесь представлены три главные системы:

- асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и с управлением ориентированным полем;

- синхронный двигатель с постоянными магнитами (с прямоугольной коммутацией);

- бесщеточный двигатель постоянного тока;

- синхронный двигатель с постоянными магнитами (с синусоидальной коммутацией);

- бесщеточный двигатель переменного тока.

 

3.6.1 Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и с управлением ориентированным полем.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и с управлением ориентированным полем также называют серводвигателем переменного тока. По его основной конструкции и способу управления этот двигатель похож на хорошо известный трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Как сервомотор, асинхронный двигатель имеет конструкцию с малым моментом инерции, малыми потерями и малым скольжением и управляется специальным устройством, которое обеспечивает перпендикулярность потоков статора и ротора относительно друг друга. Это позволяет асинхронному двигателю быть управляемым почти до критического момента, делает его хорошо применимым для высокодинамичных применений.

Недостатками этого двигателя (в сравнении с двигателем с постоянными магнитами) являются его более низкий к.п.д. и несколько больший объем устройства при одинаковом вращающем моменте. Ротору присущи потери от тока, которых нет в двигателе с ротором на постоянных магнитах. В связи с более высокими потерями (КПД - η) и потребности в намагничивающей составляющей тока (cos ϕ) асинхронной машины, мощность преобразователя должна быть выше в (1 / η cos ϕ) раз.

Кроме того, должен быть учтен отвод тепла, особенно в диапазоне малых скоростей. Обычно эти двигатели обеспечиваются принудительной вентиляцией (независимый вентилятор) или ограничивают диапазон регулирования скорости или момента.

Цены по сравнению с другими приводами выше в связи со сложной обработкой сигналов в высокодинамичных системах. Это главным образом связано с использованием импульсного датчика (инкодера) высокого разрешения и мощных быстродействующих микропроцессоров. Процессор должен непрерывно рассчитывать токи статора в зависимости от положения ротора и требуемых моментов и параметров намагничивания. Ранее эти привода обычно использовались в качестве мощных главных приводов в машиностроении. Однако, ожидается увеличение использования этих приводов в связи с удешевлением электронных компонентов и использованием более дешевых двигателей.

Нагрузочные характеристики (рис.3.3) (зависимости момента нагрузки от скорости) показаны для:

1) постоянного момента

2) максимального момента

3) характеристика стандартного асинхронного двигателя (для сравнения).

Характеристика 2 показывает границу, зависящую от напряжения звена постоянного тока преобразователя и его допустимой токовой нагрузкой.

 

 

Рисунок 3.3 – Нагрузочные характеристики

 

3.6.2 Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов с прямоугольной коммутацией, часто называют двигателями с электронной коммутацией или бесщеточными (бесконтактными) двигателями постоянного тока. Они в наибольшей степени отвечает требованиям сервосистем.

Статор выполнен так же, как в асинхронном двигателе. На роторе наклеены постоянные исполнении (как минимум IP 54) и с вентилятором. Двигатели могут использоваться при различной степени искажения тока – от прямоугольного до синусоидального. Различие состоит в форме тока и типе и исполнении требуемого датчика.

 

3.6.2.1 Синхронный двигатель с постоянными магнитами при прямоугольном токе статора / бесщеточный двигатель постоянного тока.

Трехфазный синхронный двигатель с постоянными магнитами со ступенчатой (прямоугольной) коммутацией, описанной ниже, часто называют бесщеточным двигателем постоянного тока.

При прямоугольной коммутации регулятор тока и выходной силовой каскад управляются датчиком положения ротора (RLG). Он может состоять из датчиков Холла, фотоэлектрических или подобных датчиков. Главным преимуществом прямоугольной коммутации является простота получения сигналов положения и их преобразования в сигналы управления током.

Кривые индивидуальных характеристических параметров показаны на рисунке 3.4.

 

 

 

Рисунок 3.4 – Прямоугольная коммутация

Прямоугольный ток, подаваемый в обмотку двигателя, приводит к индукции в двигателе трапецеидального напряжения. Конструкция обеспечивает прямоугольное распределение плотности потока в воздушном зазоре. В результате образуется постоянный вращающий момент. Две соседних фазы при прямоугольной коммутации всегда запитаны током.

Импульсный датчик положения (энкодер) используется для определения положения ротора, бесщеточный тахогенератор – для определения скорости. Рисунок 3.5 показывает компоненты системы управления при прямоугольной коммутации двигателя. Видно, что датчики действительных значений сигналов обратной связи и соединения для каждого контура управления различны.

 

Рисунок 3.5 – Структура управления при прямоугольной коммутации с датчиками

 

3.6.2.2. Синхронный двигатель с постоянными магнитами и синусоидальным током статора / бесщеточный двигатель переменного тока.

Последовательность коммутационного процесса принципиально не отличается от ступенчатой коммутации. Особенность состоит в том, что все три фазы обтекаются током. Ток, напряжение и поток имеют синусоидальную форму (рис. 3.6). Поэтому постоянство вращающего момента и скорости достигается и на низких скоростях. Этому способствует и исполнение механической части двигателя.

Двигатели с питанием синусоидальным током оборудуются, как правило, измерительной системой в виде резольвера. Хотя обработка сигнала резольвера более сложна, при использовании цифровой техники может быть обеспечена высокая разрешающая способность. Тот же датчик может использоваться в системе подчиненного регулирования положения (позиционирования), что экономит средства (рис. 3.7).

 

 

 

 

Рисунок 3.6 – Синусоидальная коммутация

 

 

Рисунок 3.7 – Структура управления двигателем при синусной коммутации с датчиком

Системы датчиков

 

Система датчиков служит для измерения значений переменных величин в приводе. К ним относятся:

- скорость;

- угол поворота ротора (положение внутри одного оборота);

- положение исполнительного органа машины (положение за несколько оборотов).

3.7.1 Обзор применяемых датчиков приведен на рис. 3.8.

 

Рисунок 3.8 – Обзор датчиков

 

Различные датчики характеризуются следующими техническими параметрами:

 

 

Важнейшим критерием при выборе датчика является грубость системы измерения. Так как датчик устанавливается непосредственно на двигателе, он должен быть нечувствителен к вибрации и изменениям температуры. Другим важным фактором является помехоустойчивость измерительной системы.

3.7.2 Достоинства и недостатки важнейших измерительных систем

 

Сравнение указывает на целесообразность использования резольвера для серводвигателей.

 

3.7.3 Резольвер. Конструктивное исполнение и принцип действия.

Резольвер работает на принципе вращающегося трансформатора и состоит из ротора с обмоткой и статора с обмотками. Обмотки статора образуют с обмотками ротора трансформатор. Отличие от вращающегося трансформатора состоит в наличии на статоре двух сдвинутых друг относительно друга на 90° обмоток.

Резольвер служит для измерения абсолютного значения положения вала двигателя в пределах одного оборота. Кроме того, из сигнала резольвера может быть получено значение скорости и сигнал импульсного датчика для регулирования положения (позиционирования).

Ротор резольвера закрепляется на валу двигателя. Чтобы иметь возможность передать первичное напряжение на ротор, не используя щеточный контакт, на статоре и роторе предусмотрены дополнительные обмотки, с помощью которых первичное напряжение на роторную обмотку передается на трансформаторном принципе (рис. 3.9). Дополнительная обмотка и рабочая обмотка на роторе соединены между собой электрически, поэтому напряжение возбуждения передаваемое со статора на ротор через дополнительную обмотку будет приложено и к рабочей обмотке (обмотке возбуждения) ротора (рис. 3.10).

 

 

 

Рисунок 3.9 – Резольвер

Рисунок 3.10 – Схематическое устройство

 

 

Рисунок 3.11 – Эквивалентная схема резольвера

 

В зависимости от положения ротора в рабочих обмотках статора индуктируются напряжения с изменяющейся в функции угла поворота ротора амплитудой. В обмотке статора, через которую проходит полный поток возбуждения (γ = 0°) напряжение U1 максимально. При повороте ротора на угол γ = 90° напряжение U1 уменьшается до нуля. Затем напряжение U1 вновь возрастает до максимума с другой фазой при γ = 180°. Таким образом, напряжение U1 имеет огибающую, изменяющуюся по закону косинуса. Напряжение U2 второй рабочей обмотки сдвинуто относительно U1 на 90° и имеет при γ = 0° нулевое значение. Это напряжение достигает максимума при 90° и затем снова уменьшается до нуля при γ = 180°. Следовательно напряжение U2 изменяет свою амплитуду по закону синуса.

Выходные напряжения U1 и U2 в зависимости от входного напряжения U_e меняются следующим образом (рис. 3.12):

 

Вход: U_e = U_S · sinωt (опорное напряжение)

Выход: U₁ = U_S · sinωt · cos γ;

U₂ = U_S · sinωt · sin γ,

 

где γ - угловое положение ротора;

ω - круговая частота входного напряжения U_e;

U_S - амплитудное значение входного напряжения.

 

 

Рисунок 3.12 – Выходные напряжения резольвера U1 и U2

 

3.7.4 Обработка и использование сигнала резольвера.

Сигнал резольвера преобразуется в дискретное число в преобразователе «резольвер-код» (РК-преобразователь) серводвигателя. Это цифровое значение подвергается дальнейшей обработке, чтобы получить добавочную информацию. Во-первых, РК - преобразователь выдает информацию об угловом положении ротора. Во-вторых, одновременно, можно определить скорость двигателя, если считать импульсы в течении определенного времени и затем усреднить значение скорости. В-третьих, можно два младших разряда использовать:

− для определения направления движения;

− для управления позиционированием.

 

Рисунок 3.13 – Обработка сигнала револьвера

 

Генератор опорной частоты (см. Рис. 26) через статорную обмотку подает на ротор переменное напряжение около 10 В при частоте около 7кГц. Дискретное значение числа на реверсивном счетчике 6 преобразуется цифро-аналоговым преобразователем 5. Выходные сигналы U1 и U2 статора резольвера умножаются на синус и косинус измеренного значения. Тогда значение на реверсивном счетчике представляет собой угол ϕ. В результате получаются напряжения:

 

UF₁ =U_S · sinωt · cosγ · sinϕ;

UF₂ =U_S · sinωt · sinγ · cosϕ.

 

В усилителе 2 оба этих сигнала вычитаются друг из друга. Результат представляет собой разность (ошибку) между углом ϕ и фактическим углом γ. Ошибка получается в виде:

 

UF_D =U_S · sinωt · (sinγ · cosϕ − cosγ · sinϕ)

 

или после преобразования:

 

UF_D = U_S · sinωt · sin(γ − ϕ).

 

В фазочувствительном выпрямиителе 3, который включен за вычитателем 2, этот сигнал демодулируется, чтобы исключить несущую частоту. Образовавшийся на выходе выпрямителя сигнал UF пропорционален sin(γ − ϕ).

Это напряжение действует на одном из входов РК - преобразователя и на вход интегратора 4. Последний интегрирует напряжение ошибки, которое поступает в дальнейшем на вход генератора ГУН 7, управляемого напряжением. Если между углами γ и ϕ есть разница, то интегратор 4 образует на своем выходе выпрямленное напряжение, с помощью которого ГУН 7 вырабатывает импульсы, поступающие в реверсивный счетчик 6.

 

 

Рисунок 3.14 – Блок-схема преобразователя «резольвер-код»

 

Элементы со 2 -го по 7-й образуют замкнутый контур. На входе ГУН 7 сигнал в форме напряжения постоянного тока существует до тех пор, пока разность между γ и ϕ не сводится к нулю, что означает: γ = ϕ. При этом дискретный сигнал реверсивного счетчика соответствует аналоговому значению угла резольвера. При непрерывном вращении резольвера ГУН7 вырабатывает импульсы до тех пор, пока цифровое значение на реверсивном счетчике не совпадет с аналоговым значением углового положения ротора на входе, т.е. пока изменение углового положения ротора не будет уравновешено. Частота ГУН7 при этом пропорциональна скорости двигателя и резольвера. Из этого следует, что выходное напряжение интегратора также пропорционально скорости.

Преобразователь ’’резольвер - код’’ на выходе имеет пропорциональное скорости напряжение UT, а также информацию об оборотах резольвера. Эта схема реализована как интегрирующий контур, причем опорный генератор 1 подключен извне. Ошибка сигнала резольвера пренебрежимо мала (< 0,05%).

 

3.7.5 Моделирование импульсного датчика

С помощью модели импульсного датчика из имеющихся выходных сигналов резольвера формируется шесть каналов, которые используются для управления позиционированием. Это каналы А, В и С и их инверсные сигналы A, B и C.

Модель импульсного датчика обеспечивает 1024 импульса на оборот. Путем сложения сдвинутых на 90º импульсов можно получить при позиционировании 4096 импульсов на оборот.

 

 

Рисунок 3.15 – Моделирование импульсного датчика

Импульсы канала А и канала В сдвинуты на 90º друг относительно друга. Если положительные фронты импульсов канала А опережают таковые канала В, то двигатель имеет правое направление вращения. Если наоборот канал В опережает канал А, направление вращения левое. Канал С при переходе через нулевое положение выдает один импульс за полный оборот. Направление вращения двигателя можно определить с помощью двух младших разрядов (LSB - least significant bits) схемы обработки сигналов.

 

 

При правом вращении (положительное направление вращения) счетчик в преобразователе «резольвер – код» работает на увеличение числа. Это соответствует прочтению таблицы функционирования сверху вниз. При каждом переходе младшего разряда с 1 на 0 изменяется также значение разряда 2¹.

Если направление вращения двигателя изменяется и двигатель вращается в левом направлении, то таблицу функционирования надо читать снизу вверх. В этом случае при изменении младшего разряда с 1 на 0 состояние разряда 2¹ не изменяется.

 

Сервопреобразователь

Сервопреобразователь служит для регулирования скорости и момента серводвигателя. Сегодня это, как правило, преобразователь, имеющий дискретное управление и обладающий следующими преимуществами перед аналоговым:

- длительный срок службы;

- отсутствие дрейфа;

- простые коммуникации с внешними устройствами;

- легкое выполнение математических операций.

Сервопреобразователи выполняются в виде компактных преобразователей (так называемое моноблочное устройство), а также в модульном исполнении.

 

 

Рисунок 3.16 – Сервопреобразователь в модульном исполнении

Рисунок 3.17 – Компактный сервопреобразователь

 

Компактный преобразователь удобен тем, что поставляется в виде комплектного изделия. При этом отпадает необходимость дополнительных соединений между отдельными компонентами привода, что необходимо при модульном исполнении. Преимущество модульного исполнения (в виде сетевого модуля и осевого модулей) состоит в возможности построения многодвигательного привода. При таком многоосевом использовании через один сетевой модуль могут работать несколько осевых модулей. При этом мощность сетевого модуля определяется суммарной мощностью подключенных осевых модулей. В данной лабораторной работе будет рассматривается дискретный сервопреобразователь в модульном исполнении.

 

3.8.1 Основные компоненты модульной системы

Сервопреобразователь в модульном исполнении состоит из:

- сетевого модуля;

- осевого модуля.

 

 

Рисунок 3.18 – Структура модульного сервопреобразователя

 

Сетевой модуль служит для обеспечения питанием подключаемых осевых модулей через промежуточный контур (звено постоянного тока) и для питания управляющей электроники. Он содержит также тормозной прерыватель или инвертор обратного тока, различные элементы защиты и коммуникационные интерфейсы (RS-232, RS-485).

Осевой модуль регулирует скорость и момент одного серводвигателя. Он содержит необходимые для этого инвертор, управляющую электронику, жестко специализированные и свободно программируемые двоичные входы и выходы, аналоговые входы и выходы, выход для модели импульсного датчика и свободные места для дополнительных модулей (опций). Количество осей, которые могут быть подключены к сетевому модулю, ограничивается:

- мощностью сетевого модуля,

- мощностью элементов для подключения к сети,

- максимальной тормозной мощностью,

- длиной проводников шины промежуточного контура (звена постоянного тока), проводов шины данных (помехозащищенность) и шин питания 24 В.

 

 

Рисунок 3.19 – Силовая часть сервопреобразователя

 

Силовая часть сервопреобразователя выполнена по принципу инвертора напряжения с промежуточным контуром (звеном постоянного тока). Это означает, что конденсатор промежуточного контура поддерживает постоянное напряжение. Выходные инверторы выполнены на транзисторах IGBT. Их достоинством являются малые потери при переключении, простое управление, низкие потери в самом транзисторе и высокая допустимая частота переключений.

 

3.8.2 Сетевой модуль

Сетевой модуль подключается к сети переменного тока через сетевой дроссель. Диапазон напряжений: 3 х 380... 500 В. Сетевой дроссель совместно со схемными решениями в силовой части инвертора полностью заменяет обычно используемые устройства для ограничения бросков пускового тока. Он минимизирует влияние преобразователя на сеть и составляет часть устройств защиты преобразователя от периодических перенапряжений в сети.

В сетевом модуле реализованы функции контроля следующих показателей;

- перенапряжение в промежуточном контуре (звене постоянного тока);

- потеря фазы питающего напряжения;

- замыкание на землю;

- перегрев;

- перегрузка тормозного прерывателя.

 

 

 

Рисунок 3.20 – Блок схема модульного сервопреобразователя

 

3.8.3 Выпрямитель и защита от перенапряжений

В сетевом модуле предусмотрена защита от перенапряжений, чтобы пики напряжения, возникающие в сети, в частности, при включении индуктивной или емкостной нагрузки, не повредили модуль. Эта защита выполнена с помощью конденсаторов, газовых разрядников и варикапов.

 

Рисунок 3.21 – Выпрямитель и защита от перенапряжений

 

Выпрямитель выполнен по трехфазной мостовой схеме. Напряжение на промежуточном контуре (звене постоянного тока) U ЗПТ = √ 2 UС.

3.8.4 Промежуточный контур и возврат энергии в сеть

При торможении привода кинетическая энергия превращается в электрическую и возвращается в промежуточное звено. Так как конденсатор в промежуточном звене обладает ограниченной емкостью, напряжение в промежуточном звене повышается. Чтобы привод мог тормозиться, должно быть гарантировано, что энергия торможения будет отведена.

Поэтому необходимо избыточную энергию аккумулировать или преобразовывать в другую форму. Принципиально существует три возможности:

- возврат в сеть (использование электрической энергии другим пользователем);

- тормозной прерыватель и тормозное сопротивление (преобразование энергии в тепло);

- обмен энергией при многоосевом исполнении (использование энергии другими подключенными двигателями).

 

3.8.4.1 Возврат энергии в сеть

Возврат энергии в сеть имеет то достоинство, что энергия торможения сохраняется как электрическая. Существуют различные возможности реализации возврата энергии, например, антипараллельный мост. В этом случае сетевой выпрямитель дополняется инвертором, который управляется синхронно с сетью. Если напряжение на промежуточном звене превысит напряжение на выпрямителе, избыточная энергия возвращается в сеть.

 

 

Рисунок 3.22 – Возврат энергии в сеть

 

3.8.4.2 Тормозной прерыватель и тормозное сопротивление

В противоположность предыдущему случаю, при использовании тормозного прерывателя избыточная энергия не возвращается в сеть, а превращается в тепло в тормозном сопротивлении. Если энергия торможения невелика, то использование тормозного прерывателя может оказаться экономически более целесообразно, чем возврат энергии в сеть.