Автоматизированный электропривод играет важную роль в автоматизации станкостроения и робототехники. Являясь связующим звеном между системой управления и исполнительной (механической) частью любого станка или робота, электропривод представляет широкие возможности для автоматизации технологических процессов металлообработки и транспортировки. Помимо функций согласования, электроприводу также присущи и информационные функции: они позволяют наиболее простыми методами определять энергетические параметры технологического процесса, осуществлять диагностику и контроль работы оборудования.
Электропривод, как основной элемент любого станка или робота, зачастую непосредственно определяет их конструктивные особенности, оказывает сильное влияние на весогабаритные и технологические параметры, а также определяет скоростные режимы работы станка, конструктивные особенности его механизма передач, определяет функциональные возможности технологического оборудования.
Исходя из направлений развития современного станкостроения и станочного электропривода, могут быть сформулированы общие требования, предъявляемые к современным системам электроприводов [2,5,8,49,60]:
• минимальные габариты электродвигателя при высоком вращающем моменте;
• высокая максимальная скорость;
• широкий диапазон регулирования скорости;
• высокая стабильность характеристик;
• значительная перегрузочная способность электропривода в режимах кратковременной и повторно-кратковременной нагрузки;
• высокое быстродействие при апериодическом характере переходных процессов разгона и торможения;
• высокое быстродействие при набросе и съеме нагрузки и при реверсе под нагрузкой на самых малых частотах вращения;
• высокая равномерность движения при различной нагрузке на всех скоростях вплоть до самых малых;
• высокая надежность;
• простота наладки;
• высокая унификация узлов и отдельных элементов;
• высокая экономичность и ремонтопригодность.
Фундаментальной тенденцией современной теории и практики физико-технической обработки материалов является создание так называемых сверхточных технологических процессов.
В работах Т. Н. Лоладзе, В. А. Кудинова, Н. В. Талантова, A.A. Козлова [34,42,44,69] показано, что по сути дела эта проблема сводится к реализации устойчивых технологических процессов*. Для реализации таких процессов необходимо создание недорогого электропривода с максимально высокими энергетическими характеристиками, и что чрезвычайно важно, с широким диапазоном плавного регулирования скорости. В связи с этим представляется крайне актуальным проанализировать имеющиеся в настоящее время принципы построения электроприводов и, переосмыслив их, предложить новые принципы создания электропривода, удовлетворяющего поставленной выше проблеме.
Анализ имеющихся литературных источников показал, что развитие современной теории и практики автоматизированного электропривода проходила в двух направлениях :
— создание электропривода постоянного тока;
— создание электропривода переменного тока. Под устойчивым процессом понимается такой процесс, при котором основные характеристики не зависят от времени, т. е. стационарны.
В рамках первого направления фундаментальными исследованиями A.B. Башарина, Ю. А. Борцова, Д. Э. Брускин, А. И. Важнова, А. И. Вольдека, В. Т. Касьянова, М. М. Кацмана, В. И. Ключева, И. П. Копылова, М. П. Костенко, А. Н. Лебедева, О. П. Михайлова, Р. Т. Орловой, Г. Н. Петрова, J1.M. Пиотровского, Б. И. Решина, A.C. Сандлера, П. С. Сергеева, Г. Г. Соколовского, Е. И. Сипайлова, О. В. Слежановского, В. А. Толвинского, В. М. Хутерецкого, М. Г. Чиликина, К. И. Шенфнера [11,14,18,32,33,35,37,39,43,49,57,59,60,64,72,73,74,76] установлено, что в последнее время наибольшее применение и развитие в станках и промышленных роботах получил электропривод постоянного тока, благодаря в первую очередь простоте регулирования, их высоким энергетическим показателям в широком диапазоне плавного изменения скоростей.
Недостатками электроприводов с двигателями постоянного тока являются большие, по сравнению с асинхронными двигателями, весогабаритные параметры и, как следствие, сравнительно большая инерционностьмалая, из-за коллекторного узла, надежность и высокая стоимость, ограниченная по условиям коммутации перегрузочная способность.
В рамках развития электроприводов переменного тока на основе исследований В. П. Андреева, М. М. Ботвинника, A.A. Булгакова, B. J1. Грузовова, В. М. Гусятского, С. О. Кривицкого, Г. Б. Онищенко, Ю. А. Саблина, A.C. Сандлера, P.C. Сарбатова, J1.H. Тарасенко, В. А. Шубенко, И. И. Эпштейна [4,5,12,15,16,28,30,40,51,52,53,55,58,59,61,62,70,77,82,83] видно, что одной из перспективных систем электроприводов переменного тока в настоящее время является частотно-регулируемый электропривод, выполненный на базе асинхронного короткозамкнутого двигателя (4P КАЭП). Интенсивное развитие этой системы именно в последнее время связано с развитием полупроводниковой техники регулирования электроприводов.
Достоинствами таких электроприводов является высокое значение КПД и коэффициента мощности, высокие регулировочные возможности. Однако режим принудительной коммутации ключевых элементов снижает их надежность, а двухканальное управление этими электроприводами создают дополнительные проблемы в процессе их эксплуатации. Кроме того, стоимость частотно-регулируемых электроприводов остается высокой.
Стремление исключить шаговый эффект в системе 4P КАЭП, наблюдаемый при малых скоростях, привело к развитию ШИМ-управления, характеризующегося снижением надежности вследствие высокой частоты коммутации.
Другим вариантом электропривода, обеспечивающим широкий диапазон регулирования скорости, высокую плавность регулирования и высокий КПД, является электропривод, разработанный на базе асинхронных двигателей с фазным ротором, включенных по схеме асинхронно-вентильного каскада (АВК). Из работ Ф. И. Бутаева, И. Л. Локтевой, Г. Л. Муравьева, Г. Б. Онищенко, A.C. Сандлера, Л. М. Тарасенко, В. Г. Титова, C.B. Хватова, В. П. Шипилло, Е. Л. Эттингера [17,51,52,53,63,71,75,79,83] установлено, что существенным недостатком традиционной схемы АВК является низкий коэффициент мощности, снижающийся при увеличении диапазона регулирования, и пониженная его перегрузочная способность, даже по сравнению с естественной схемой включения.
Одним из возможных вариантов повышения энергетических показателей электропривода системы АВК и его перегрузочной способности является использование, наряду с сетевым тиристорным инвертором, управляемого выпрямителя в цепи ротора [40,41]. Однако управление на частоте скольжения ведет к существенному усложнению системы в целом и, как следствие, к снижению ее надежности.
Предложенный Е. И. Медведевым [1] способ управления асинхронным электроприводом, основанный на принципе его последовательного возбуждения, и реализованный в схеме асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением (АВК ПВ), как показали проведенные исследования, сохраняя присущие схемам АВК высокий КПД, широкий диапазон и плавность регулирования, позволяет получить высокий коэффициент мощности и высокую перегрузочную способность электропривода.
Тиристорный преобразователь, входящий в состав АВК ПВ, управляется на частоте питающей сети, которая существенно ниже несущей частоты в системах с ШИМ, поэтому режим работы тиристоров оказывается в АВК ПВ менее напряженным, чем динамический режим работы ключевых элементов в 4P КАЭП. Вместе с тем система АВК ПВ позволяет исключить присущий 4P КАЭП с амплитудным регулированием напряжения или тока шаговый эффект.
Простота схемного решения АВК ПВ, отработанность отечественной промышленностью элементов системы управления делает электропривод, построенный на базе АВК ПВ, перспективным для широкого применения как в станкостроении, так и в других областях промышленности.
В таблице проведены результаты сравнительного анализа рассмотренных выше систем электроприводов. При анализе использовалась балльная система оценок критериев электроприводов, в которой максимальный балл (3) указывает на высокое качество анализируемого критерия.
Электропривод Габарит Перегрузочная способность Скорость вращения Время переходного процесса Надежность Ремонт Наладка Экономичность Средний балл.
Двигателя Системы управления 3 В 3 с S S Капитальные затраты Эксплуатационные затраты.
ВЭП ПТ 1 1,5 1 1,5 1,5 1 1 1 2 2 2 1,4.
4P КАЭП 3 1 3 1,5 1 3 2 2 1,5 1 1 1,8.
АВК ПВ 2 1,5 2 1 1,5 2 3 2,5 2,5 3 3 2,1.
Система АВК ПВ на сегодняшний день недостаточно исследована, поэтому основной задачей данной диссертационной работы является исследование ее рабочих режимов и в дальнейшем разработка рекомендаций по расчету электроприводов системы АВК ПВ. Автор данного исследования стремились найти такие методы расчета статических режимов электропривода по системе АВК ПВ, при помощи которых возможной стала бы оценка основных характеристик без проведения экспериментальных исследований.
Работа состоит из четырех глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений.
В первой главе дается обзор литературных источников по вопросам теории и практики асинхронного вентильного каскада. Приводится предложенная автором классификация способов возбуждения асинхронного двигателя в каскадной схеме. Излагаются основы теории асинхронных вентильных каскадов при последовательном возбуждении двигателя (АВК ПВ). Ставится задача исследования.
Во второй главе приводятся методика расчета статических характеристик АВК ПВ, алгоритмы их расчета на ЭВМ. Анализируются результаты расчета применительно к двигателю МТР-012−6.
В третьей главе описывается лабораторная установка для экспериментального исследования системы АВК ПВ. Приводятся результаты экспериментального исследования статических режимов системы АВК ПВ и их анализ.
В четвертой главе проводится сравнительный анализ расчетных и экспериментальных характеристик системы АВК ПВ.
Автор приносит благодарность своим учителям: д-р. техн. наук профессору [М.Ь. Диперштейну| и канд. техн. наук доценту Е. И. Медведеву, а также заведующему кафедрой «Автоматизация технологических процессов и производств» Волгоградского государственного технического университета членкор. РАН М. Н. Бабушкину и всему коллективу кафедры за внимание и поддержку в работе над диссертацией.
Выводы к главе 4.
Экспериментальные и расчетные зависимости /?(/2) имеют хорошую сходимость в первой токовой зоне. Величина относительной погрешности не превышает 10% для случая равенства напряжения питания и номинального напряжения статора двигателя, и 14% - при напряжении питания большем номинального. Существенно большее расхождение наблюдается во второй (нерабочей) токовой зоне.
2. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных механических характеристик показал, что в диапазоне скоростей 0−0,7соо эти характеристики практически совпадают. Их относительная погрешность не превышает 1,5−2%. В области скоростей близких к синхронной расхождение увеличивается до 3%.
3. Относительная погрешность расчетных и экспериментальных зависимостей М{12) не превышает 9−10%.
4. Относительная погрешность расчетных и экспериментальных зависимостей г|(п) при фиксированном моменте не превышает 3% в области повышенных токов ротора и 9% - в области малых токов ротора.
5. Относительная погрешность расчетных и экспериментальных зависимостей г|(М) при фиксированной скорости не превышает 5% в зоне малых скоростей (0−0,7шо) и существенно увеличивается в области скоростей близких к синхронной.
6. Проведенный анализ показывает, что предложенный алгоритм расчета статических характеристик электропривода по системе АВК ПВ адекватен имеющимся экспериментальным данным в первой токовой зоне и может быть предложен для расчета электропривода без проведения дополнительных экспериментальных исследований.
7. Проанализированы основные свойства электропривода по системе АВК ПВ такие как быстродействие, диапазон непрерывного регулирования скорости электропривода, максимально и минимально возможные скорости, возможность перехода плавного перехода системы из двигательного режима в режим торможения.
8. Предложен наиболее рациональный принцип построения системы автоматического регулирования.
9. Определены наиболее рациональные области применения электроприводов по системе АВК ПВ в промышленности.
Заключение
.
По результатам проведенного исследования могут быть сделаны следующие выводы:
1. Анализ литературных источников позволил установить, что одним из перспективных направлений современной теории и практики электроприводов для станочного оборудования и робототехники являются использование системы асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением.
2. Использование принципа последовательного возбуждения применительно к асинхронному вентильному каскаду позволяет устранить ряд недостатков традиционной схемы асинхронного вентильного каскада, такие как низкий коэффициент мощности, малую перегрузочную способность, невысокий коэффициент мощности.
3. Предложена классификация способов возбуждения асинхронного двигателя в каскадной схеме, в соответствии с которой выделены:
— естественное возбуждение;
— независимое возбуждение;
— последовательное возбуждение;
— смешанное возбуждение.
4. Предложена методика расчета характеристик системы асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением в статических режимах.
5. Предложен и программно реализован алгоритм расчета статических характеристик системы асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением, позволяющий получить зависимости коэффициентов полезного действия от момента на валу двигателя при фиксированной скорости т (М) и от скорости при фиксированном моменте ц (п), зависимости тока статора от тока ротора/1 (/2), механические и скоростные характеристики без проведения дополнительных экспериментальных исследований.
6. Проведен анализ работы электродвигателя в естественной схеме и работающего в системе асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением.
7. Разработана методика и создан лабораторный стенд для исследования статических режимов электропривода по системе асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением.
8. Найдены основные экспериментальные зависимости коэффициентов полезного действия от момента на валу двигателя при фиксированной скорости г|(М) и от скорости при фиксированном моменте ц (п), а также зависимости тока статора от тока ротора 1{1−1), механические и скоростные характеристики.
9. Найдена математическая зависимость момента от тока ротора М (/2).
10. Разработана методика и лабораторный стенд с использованием микропроцессорной техники для экспериментального определения координат системы АВК ПВ в статических режимах.
11. Доказано, что разработанный алгоритм расчета статических характеристик системы АВК ПВ, позволяющий получить зависимости г (М), г|(и), 1{1г), М (п), со (/]), со (/2), адекватен имеющимся экспериментальным данным, что дало возможность разработать методику расчета автоматизированного электропривода по системе АВК ПВ, позволяющую без проведения экспериментальных исследований определить основные статические характеристики системы.
12. Определены наиболее рациональные области промышленного применения электропривода по системе АВК ПВ.
