Регулируемый электропривод постоянного тока

Регулируемый электропривод позволяет изменить скорость перемещения исполнительного органа станка в соответствии с управляющим воздействием, вырабатываемым системой программного управления или оператором. Это регулирование должно производиться независимо от сил сопротивления, действующую на электромеханическую систему привода.

Основной характеристикой регулируемого электропривода является диапазон регулирования скорости – отношение максимальной скорости к минимальной.

.

В электроприводе диапазон регулирования достигает значения 10000 и более (в приводах главного движения около 1000).

Диапазон регулирования ограничен сверху механической прочностью электропривода, процессами тепловыделения и работоспособностью машины (подшипников), коммутационные возможности.

Нижняя скорость привода определяется устойчивостью вращения про колебаниях момента нагрузки и внутренних возмущениях (изменениях параметров).

Момент сил сопротивления вызывает снижение скорости привода на величину , зависящую от жёсткости механической характеристики.

Относительное снижение скорости привода под нагрузкой называют статической ошибкой или статизмом привода (S).

, - скорость х/х.

Скорость в долях от	Статизм привода %
	Главное движение	Движение подачи
1	0,5	0,1
0,1	2	0,75
0,01	5	2
0,001	10	3,5
0,0001	-	10

Увеличение статической ошибки приводит к тому, что небольшие колебания момента сил сопротивления приводят к существенным колебаниям скорости, недопустимым с технологической точки зрения.

Отметим, что в станкостроении редко встречается техническая задача стабилизации скорости, естественной жёсткости механических характеристик разомкнутой системы электропривода достаточного для выполнения процесса металлообработки. Исключение составляют только системы взаимосвязанных приводов, заменяющие прецизионные кинематические цепи. В электроприводе станков отрицательная обратная связь необходима только для получения большого диапазона регулирования скорости.

Таким образом, регулируемый электропривод представляет собой замкнутую систему автоматического управления с отрицательной обратной связь по скорости (скоростной контур).

Точность работы привода зависит от точности и стабильности цепи обратной связи и в меньшей степени зависит от параметров электродвигателя, силового преобразователя и других элементов прямой цепи.

Силовые преобразователи регулируемого электродвигателя постоянного тока

Являются наиболее специфическими элементами привода и предназначены для преобразования переменного (чаще всего трёхфазного) тока в постоянный ток регулируемого напряжения. Такие преобразователи нужны в цепи якоря регулируемого привода подачи, в цепи якоря и возбуждения главного движения. В станкостроении применяют электропривод с управляемыми тиристорными выпрямителями или транзисторными широтно-импусными преобразователями.

Тиристорные управляющие преобразователи

Устройство и конструкция тиристора известны из курса электроники, т.е. это выпрямитель с ограниченным управлением. При включении в цепь переменного тока тиристор может быть открыт в положительный полупериод при подаче импульса напряжения на управляющий электрод. После исчезновения управляющего напряжения тиристор остаётся в проводящем состоянии до тех пор, пока анодное напряжение не станет равным нулю. Регулирование выпрямленного напряжения происходит путём изменения фазового угла управляющего импульса, который открывает тиристор и тем самым изменяет длительность его работы в оставшуюся часть полупериода.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют многофазные схемы тиристорных преобразователей, которые можно разделить на нулевые (однотактные) и мостовые (двухтактные).

Нулевая (а) и мостовая (б) схемы тиристорных управляемых выпрямителей.

В нулевых схемах нагрузка (якорь двигателя) подключается к нулевой точке вторичной обмотки трансформатора. Тиристоры включены в каждую фазу и могут быть объединены своими катодами или анодами. Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока последовательно с нагрузкой включен реактор, представляющий собой дроссель с большой индуктивностью. Используется только одна полуволна переменного напряжения в каждой фазе.

Мостовая схема может быть получена при последовательном соединении двух нулевых схем – анодной и катодной. В этом случае используются две полуволны переменного напряжения.

Транзисторные импульсные преобразователи

Транзисторный ключ (VT) (а) периодически подключает якорь двигателя к источнику нерегулируемого напряжения (Ud). При этом в рабочую часть периода энергия потребляется из сети и расходуется электродвигателем на полезную работу. Часть энергии при этом запасается а виде электромагнитной энергии. Во время паузы ключ разомкнут, но цепь якоря замыкается через диод (VD) и электродвигатель продолжает работать за счёт запасённой энергии.

Среднее напряжение преобразователя

,

t ₁ – рабочая частота периода;

t₂ – время паузы;

Т­_К – время коммутации.

- частота коммутации (2 5) кГц.

Изменяя величину ( ), а значит и среднее напряжение на выходе преобразователя можно за

счёт длительности импульса t₁. (ШИП) – широтно-импульсный преобразователь.

Реверсный ШИП выполняют по мостовый схеме, состоящей из транзисторных ключей VT₁…VT₄, шунтированных обратными диодами VD₁…VD₄.

Транзисторные ключи переключаются попарно. В период t₁ работают ключи VT₁ и VT₂, а в период t₂ – VT₃ и VT₄.

Управление ШИП осуществляется широтно-импульсным модулятором (ШИМ). Назначение ШИМ заключается в преобразовании непрерывного входного воздействия в прямоугольные импульсы с переменной длительностью, пропорциональной управляющему напряжению (задающий генератор опорного пилообразного напряжения). Опорное напряжение U_оп. Сравнивается с управляющим напряжением U_у м в момент равенства этих напряжений вырабатывается управляющий импульс, переключающий транзисторные ключи.

Регуляторы и датчики

Схема регулятора на базе операционного усилителя.

Выполняется по микроэлектронной технологии в интегральной микросхеме, имеется несколько каскадов усиления. Коэффициент усиления .

П – регулятор (пропорциональный)

ПИ – регулятор (пропорционально-интегральный)

ПИД – регулятор (пропорционально-интегрально-диференциальный)

ПД – регулятор (пропорционально-диференциальный)

Наибольшее распространение в регулируемом электроприводе имеют датчики тока и скорости. Известны две основные системы образования токовой обратной связи: по переменному току на первичной обмотке трансформатора и по постоянному току цепи якоря двигателя.

а) В первом случае в рассечку первичной обмотки силового трансформатора включают 3-х фазный трансформатор тока ТА. Трансформатор нагружен низкоомными резисторами, чтобы сохранить режим, близкий к режиму короткого замыкания. Далее напряжение вторичной обмотки выпрямляется, сглаживается фильтром и поступает в систему управления приводом. Достоинство – высокая чувствительность.

б) Во втором случае измерительное напряжение снимается с шунта, включенного в цепь якоря двигателя. При этом отпадает необходимость в выпрямлении напряжения. Чувствительность схемы невелика, т.к. номинальное напряжение снимаемое со стандартного шунта 75÷100 мВ и нуждается в последующем усилении.

в) Действие магнитного усилителя (ТА постоянного тока) основано на нелинейности кривой намагничивания ферромагнетика и изменения магнитного сопротивления по переменному току при подмагничивании постоянным током. Обмотка постоянного тока образована шиной, по которой протекает ток цепи якоря i_H=i_d. Шина проходит в окнах сердечников, на которых намотаны обмотки переменного тока N~, включаются встречно.

Аналогичные датчики тока Холла (якорь Холла)

Тахогенератор.

Импульсные индуктивные и фотоэлектрические датчики.

Датчики тока:

а) измерение в цепи переменного тока;

б) измерение в цепи якоря;

в) трансформатор постоянного тока.