Автоматизация электропривода поперечной подачи токарно-винторезного станка
2.1 Литературный обзор систем электропривода, применяемых в промышленной установке
Традиционно в приводах подач используются системы электроприводов на основе двигателей постоянного тока, асинхронный двигателей и синхронных двигателей с постоянными магнитами. Используя [2], выделим некоторые комплектные электропривода, которые могут применяться в механизмах подач металлорежущих станков.
Асинхронный двигатель и коробка скоростей
На некоторых станках и до настоящего времени применяют трехфазные одно- и двухскоростные асинхронные двигатели с чисто механической системой регулирования скорости. Переключения шестерен коробки скоростей осуществляется с помощью электромагнитных фрикционных муфт. Ступенчатое механическое регулирование угловой скорости не обеспечивает для разных диаметров инструмента обработки наиболее выгодную скорость резания. Следовательно, станок не может обеспечить высокую производительность при различных диаметрах инструмента. Кроме того, коробка скоростей представляет собой довольно сложную и громоздкую конструкцию, стоимость которой возрастает с увеличением числа ступеней.
Электроприводы постоянного тока ЭПУ1
Трехфазные тиристорные электроприводы ЭПУ1 по назначению делятся на две группы: для механизмов подач и для главного движения станков (исполнение Д). Электроприводы выпускаются нескольких модификаций в виде нереверсивного (ЭПУ1-1) и реверсивного (ЭПУ1-2) с двух- и однозонным регулированием скорости с обратной связью по скорости (исполнение М) или с обратной связью по ЭДС (исполнение Е).
Силовые схемы тиристорного преобразователя (ТП) для питания якоря двигателя выполняются по трехфазной мостовой схеме с силовыми оптронными тиристорами на токи до 100 А и силовыми тиристорами на токи 200, 400, 630 А с одним комплектом вентилей для нереверсивного ЭП и двумя для реверсивного. ЭП выполняются с трансформаторным питанием и ограничивающими реакторами. В якорной цепи для высокомоментных двигателей предусмотрен сглаживающий реактор. Выпрямитель для обмотки возбуждения двигателя выполняется по одно- и трехфазным схемам выпрямления с диодами. В двухзонных ЭП используется тиристорный преобразователь возбуждения. Максимально-токовая защита ЭП с двигателем на токи до 100 А производится плавкими предохранителями, а выше 100 А - автоматическим выключателем.
Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями
Выпускаются ЭП с широтно-импульсными преобразователями (ШИП - Д), питающиеся от сети переменного тока через неуправляемый выпрямитель. Такие ЭП более быстродействующие, чем ЭП с управляемыми выпрямителями (полоса пропускания до 200 - 250 Гц), обеспечивают высокие диапазоны регулирования скорости ( до 10 000 и выше) с высокой плавностью вращения двигателя, имеют меньшие потери и более высокий коэффициент мощности. Последней разработкой является трехкоординатный ЭП типа ЭШИМ-1, предназначенный в первую очередь для ЭП механизмов роботов. В ЭП применен трехобмоточный питающий трансформатор с двумя вторичными обмотками, служащими для раздельного питания силовой части ЭП и системы управления. Блок питания обеспечивает работу от одного до трех блоков регулирования (при одной-трех координатах управления). Блок регулирования содержит силовой трехфазный выпрямитель со сглаживающим фильтром, разрядники для ограничения перенапряжений, возникающих при торможении двигателя или со стороны питающей сети, и для обеспечения аварийного торможения двигателей любой координаты; устройство защитного отключения при авариях и источник питания цепей управления. Система управления ЭП двухконтурная с ПИ-регулятором скорости и релейным регулятором тока. Регулятор скорости выполнен с перестраиваемой в функции скорости коррекцией.
Асинхронный электропривод с преобразователем частоты
Электропривод содержит: асинхронный двигатель; тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ), в силовую схему которого входят: трехфазный мостовой регулируемый выпрямитель (преобразователь напряжения) со звеном постоянного тока; автономный инвертор напряжения, фильтр; блок подзаряда конденсаторов: узел силового токоограничения; датчик тока.
Замкнутая система ЭП построена по принципу сравнения сигнала задания тока с сигналом обратной связи по внутренней току двигателя.
В ТПЧ используется автономный инвертор напряжения с пофазной коммутацией, коммутирующее устройство которого служит для попеременного запирания тиристоров двух вентильных плеч, относящихся к одной фазе инвертора. Схема автономного инвертора содержит: мост коммутирующих тиристоров; разделительные диоды.
Независимость напряжения на коммутирующем конденсаторе от напряжения питания можно обеспечить, применяя подзаряд конденсатора от посторонних источников через тиристоры подзаряда после окончания коммутации тока в основных тиристорах.
Поэтому для обеспечения постоянной коммутационной способности инвертора при регулировании амплитуды и частоты выходного напряжения в преобразователе применяется источник подзаряда коммутирующих конденсаторов, состоящий из неуправляемого (или полууправляемого) выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме. Напряжение на его выходе фильтруется Т-образным фильтром. В схеме ЭП осуществляется максимально-токовая защита. Защита тиристоров рабочих, коммутирующих, подзаряда и разделительных диодов от перенапряжений осуществляется цепями RC.
Комплектный асинхронный электропривод типа «Размер 2М-5-2»
Асинхронный ЭП типа «Размер 2М-5-2» предназначен для работы в системах автоматического регулирования скорости электродвигателей в ЭП главного движения и подач металлорежущих станков и промышленных роботах с системами ЧПУ.
Электропривод имеет систему управления тиристорный преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ТПЧ-АД) с частотно-токовым векторным управлением. Он обеспечивает глубокое регулирование скорости (D = 10 000).
Система управления ЭП двухконтурная с ПИ - РС и трехфазным релейным РТ. Скорость двигателя определяется задающим напряжением Uз,с.
Инвертор тока (ИТ) представляет собой трехфазную мостовую схему с питанием от звена постоянного тока, работающую на частоте коммутации f = 3 кГц. Каждая фаза моста содержит по два силовых прерывателя, которые поочередно подключают вывод обмотки АД к положительному либо к отрицательному полюсу звена постоянного тока. Переключение происходит с указанной частотой, управление последовательностью переключений осуществляется РТ. Ключи трехфазного мостового инвертора или прерыватели состоят из нескольких параллельно включенных транзисторов, управляющего тиристора, соединенного с основными по схеме составного тиристора, и вентиля обратного моста.
Электропривод обеспечивает работу с номинальными моментами двигателей от 7 до 47 Н·м во всех квадрантах механических характеристик. В ЭП имеется быстродействующая защита силовых транзисторов ИТ от перегрузки (более 60 А) с помощью ТЗК. Кроме того, предусмотрена защита от перегрева, от недопустимого превышения или снижения напряжения источников питания. При исчезновении напряжения сети обеспечивается аварийное торможение двигателя.
Электроприводы ЭТА-1
Электроприводы переменного тока ЭТА-1 рекомендуются для применения в различных производственных механизмах, требующих плавного регулирования и стабилизации скорости. Электроприводы выполнены на базе двух фазных асинхронных короткозамкнутых двигателей и тиристорных преобразователей частоты с непосредственной связью. Статорные обмотки двигателя гальванически не связаны и каждая из них получает питание от своего преобразователя. Двигатели снабжены пространственным комплексным датчиком, содержащим бесконтактный тахогенератор и фотоимпульсный датчик положения ротора.
Система автоматического регулирования электропривода выполнена по двухконтурной структуре с ПИ-регулятором скорости и внутренним контуром регулирования тока и реализует частотно-токовый принцип управления асинхронным двигателем. На вход регулятора скорости подается задающий сигнал с задатчика интенсивности и сигнал отрицательной обратной связи по скорости от тахогенератора. Регулятор скорости формирует на выходе сигнал задания частоты скольжения, который в качестве сигнала задания тока подается на координатный преобразователь. Координатный преобразователь формирует два сигнала управления на преобразователь частоты.
Комплектный тиристорный электропривод переменного тока серий ЭПБ1 и ЭПБ2
Электроприводы ЭПБ предназначены для одно-, двух- и трех координатных механизмов подачи металлорежущих станков, промышленных роботов и других механизмов, требующих широкого диапазона регулирования скорости. Электропривод построен по системе тиристорный преобразователь частоты - синхронный двигатель (ТПЧ-СД) с частотно-токовым управлением. Он обеспечивает высокое быстродействие и малые уровни шума и электромагнитных потерь в двигателе. В состав ЭПБ1 входят: бесколлекторный СД с возбуждением от постоянных магнитов в роторе с пристроенными тахогенератором и датчиком углового положения ротора (в состав двигателя дополнительно могут входить встроенный тормоз, терморезисторы и пристроенный оптронный датчик пути); блок регулирования; блок питания (питание ЭП может осуществляться через силовой трансформатор и без трансформатора); автоматический выключатель; токоограничивающие резисторы; контактор (магнитный пускатель).
Инвертор тока осуществляет питание двигателя и обеспечивает регулирование частоты напряжения на двигателе и ток в фазах обмотки статора в соответствии с требуемой скоростью и моментом двигателя. Инвертор тока вместе с датчиком положения выполняет роль коллектора (как в двигателе постоянного тока).
Система управления ЭП - двухконтурная с ПИ-РС и безынерционным релейным РТ. Для согласования реверсивного сигнала задания тока uз,т с нереверсивным сигналом датчика тока uт используется переключатель характеристик, управляемый логическим устройством.
В ЭП предусмотрены следующие электрические защиты: нулевая, максимально-токовая; защиты от перегрева двигателя; от прекращения вентиляции и обрыва возбуждения тахогенератора. Имеется блокировка от ползучей скорости двигателя.
2.2 Выбор рациональной системы электропривода
Характер технологического процесса оказывает основное влияние на режимы работы электропривода и определяет главные требования, предъявляемые к нему. Электропривод поперечной подачи должен обеспечивать глубокое регулирование угловой скорости при постоянстве момента нагрузки, высокие динамические показатели системы, и кроме того, должен точно отрабатывать большие, средние и малые перемещения.
Для привода подачи применим только регулируемый электропривод т.к производится регулирование скорости движения в широких пределах, предъявляются высокие требования к качеству регулирования .
Регулируемый электропривод с плавным изменением частоты вращения в широком диапазоне наилучшим образом удовлетворяет условиям автоматического регулирования.
Наиболее распространенным видом привода вследствие своей простоты и наименьших капитальных вложений является короткозамкнутый асинхронный электродвигатель. Этот вид привода применяется от самых малых мощностей до нескольких тысяч киловатт, кроме того, он отличается простой конструкцией, высокой надежностью и удобством в обслуживании. Управление механическими координатами, основными из которых являются скорость вращения и момент на валу, в электроприводе с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором может быть осуществлено тремя основными методами:
- изменением напряжения приложенного к двигателю, при этом частота питающего напряжения постоянна;
- изменением амплитуды и частоты приложенного напряжения - скалярное управление;
- векторным управлением.
Первый метод используется для регулирования скоростью в небольших пределах и является энергетически эффективным только для технологических установок с нагрузочными характеристиками, не выходящих за область допустимых моментов на валу двигателя. Данный метод широко применяется для облегчения пуска асинхронного двигателя, кроме того в настоящее время подобные системы оснащены целым рядом дополнительных функций: защита от короткого замыкания и перегрузок по току, реверс двигателя, возможность интеграции в комплексные системы автоматического управления и т.д.
Описанный метод управления не может в полной мере обеспечить энергетически и функционально эффективного управления асинхронным электроприводом. Для этих целей исторически первыми применялись преобразователи частоты с непосредственной связью. Простая и естественная компоновка такого преобразователя частоты позволяет получать из высокой частоты низкую. Верхняя частота регулирования ограничена частотой питающей сети, что снижает область применения данных преобразователей. В настоящее время такого рода преобразователи также используют для осуществления плавного пуска асинхронных двигателей большой мощности и регулировании частоты вращения двигателя при не большом диапазоне регулирования.
Теоретически безукоризненный способ управления координатами электропривода с короткозамкнутым асинхронным двигателем состоит в изменении частоты питающего напряжения с одновременным воздействием на его амплитуду - это, так называемое, скалярное управление. Для его осуществления в настоящее время используются преобразователь частоты на основе автономного инвертора. Скалярное управление позволяет плавно регулировать скорость вращения ротора асинхронного двигателя. При этом в зависимости от нагрузочных характеристик исполнительного механизма, применяют различные законы формирования частоты и амплитуды подводимого к двигателю напряжения. Самым распространенным из них является закон U к f константа.
При проектировании частотно-регулируемого автоматизированного электропривода, следует помнить об ухудшении вентиляции двигателя. Вентилятор любого общепромышленного двигателя рассчитывается исходя из работы на номинальной скорости. Если же скорость уменьшается - уменьшается и эффективность работы вентилятора, что может вызвать перегрев двигателя. Для работы в длительном режиме на пониженных частотах и с номинальным моментом, необходимо использовать специальный двигатель или общепромышленный двигатель, обдуваемый внешним вентилятором.
Если необходимо обеспечить наилучшую динамику системы применяется векторное управление, фактически обеспечивающее амплитудно-фазовое управление. Данное управление позволяет получить высокий пусковой момент и сохранить его до номинальной скорости асинхронного электродвигателя. Векторное управление обеспечивает высокое качество регулирования по скорости, даже при скачкообразном изменении момента сопротивления на валу. Важно и то, что векторное управление позволяет наилучшим образом обеспечить энергосбережение, так как преобразователь частоты (инвертор) передает в двигатель ровно столько мощности, сколько необходимо для вращения нагрузки с заданной скоростью, даже если входное напряжение больше чем 380В. Экономия электроэнергии особенно заметна на мощных двигателях 11кВт и выше.
Т.о. рационально использовать систему электропривода ПЧ - АД с частотно-токовым способом управления. При частотно-токовом способе управления асинхронными двигателями сигнал на входе электропривода формирует момент на валу электродвигателя. Механические характеристики привода являются мягкими. Так как функциональная зависимость момента электродвигателя переменного тока от величины тока якоря является более прочной, чем от величины напряжения на якоре, входной сигнал формирует ток якоря. Мгновенные значения токов якоря в фазах обмотки определяются входными сигналами (требуемым моментом) и условным положением ротора.
Они должны соответствовать требованиям к мгновенным значениям токов многофазной симметричной системы.
Отличительной чертой приводов с частотно-токовым управления является применение в них преобразователей энергии на основе усилителей тока, представляющих собой усилители напряжения, охваченные глубокой отрицательной связью по мгновенным значениям токов фаз электродвигателя. В этом случае напряжение на фазах электродвигателя автоматически формируется преобразователем энергии для заданного режима.
Преимущества частотно-токового управления:
- высокие статические и динамические показатели электропривода, момент на валу является линейной функцией входного сигнала для всех скоростей привода;
- исключается возможность выпадения из синхронизма, опрокидывание и качание электродвигателей переменного тока;
- при достаточно простых технических средствах возможно оптимальное использование электродвигателей для получения как максимального момента на валу при заданном токе, так и высоких энергетических показателей;
- высокая надежность работы преобразователя энергии так как осуществляется контроль за мгновенными значениями токов фаз двигателя.
В качестве систем управления в настоящее время применяются преимущественно программируемые контроллеры, которые позволяют довольно просто реализовывать системы управления и различные законы управления электроприводом.
Из выше изложенного материала можно сделать следующий вывод, что для привода поперечного движения станков наиболее рациональной системой электропривода будет - ПЧ-АД.