Научно-производственное предприятие "Сатурн"
  Статьи
О предприятии
Продукция
  Коммутаторы
  Прибор контроля изоляции
  Изделия в работе
  Прайс-лист
Статьи
Отзывы
Наши координаты

Скачать видеофильм

Ссылки

Особенности применения асинхронных двигателей в мехатронных системах малых перемещений

Н.Ф. Карнаухов, М.Н. Филимонов, С.А. Ушаков (Донской государственный технический университет, Россия)

В современном автоматизированном производстве широкое применение находят мехатронные системы на базе регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока. Одним из перспективных направлений в развитии электроприводов является использование в качестве исполнительных электродвигателей асинхронных двигателей [1], которые имеют ряд преимуществ перед двигателями постоянного тока: более высокую надежность, простоту эксплуатации, лучшие массогабаритные показатели, низкую стоимость и др.

Однако существует ряд проблем, препятствующих применению электроприводов на базе асинхронных двигателей в мехатронных системах малых угловых и линейных перемещений. Особенностью таких мехатронных систем является работа в области низких скоростей перемещения рабочего органа исполнительного механизма, т.е. при малых частотах вращения выходного вала приводной системы. Указанная особенность обуславливает необходимость применения в мехатронных системах электроприводов с широким диапазоном изменения выходных параметров (угловой скорости вращения и момента). В статье не рассматривается возможность применения безредукторного электропривода на базе электрической машины двойного движения [2] с перемещающимся в разных плоскостях ротором и статором для формирования вращательного, поступательного и возвратно-поступательых движений мехатронных систем. Проведенные исследования в части широкого применения безредукторного электропривода с использованием многополюсных машин с питанием от промышленной сети или источника пониженной частоты, машин с катящимся ротором, машин с питанием ротора и статора от источников с разной частотой, редукторной машины и двигателя с субгармоническими магнитными колебаниями поля показали [3], что для низкоскоростных устройств мехатронных систем показатели такого электропривода вполне сравнимы с массогабаритными показателями редукторного электропривода.

Ограниченность использования современного частотно-регулируемого электропривода на базе 3-х фазного асинхронного двигателя в мехатронных системах специального назначения [4] обусловлена тем, что достаточно низкий диапазон регулирования скорости (до 30) не обеспечивает необходимые выходные характеристики управления рабочим органом технологической машины. Малый диапазон регулирования таких приводов обусловлен неравномерностью вращения ротора асинхронного двигателя при низких частотах питающего напряжения статора (ниже 2-2,5 Гц). При анализе электромагнитных процессов в системе "автономный инвертор напряжения - асинхронный двигатель" при 150 эл. град. и 180 эл. град. углах управления ключами автономного инвертора напряжения [1] установлено, что с уменьшением относительной частоты (угловой скорости вращения ротора асинхронного двигателя) увеличиваются пульсации выходного напряжения автономного инвертора напряжения, а, следовательно, и пульсации фазных токов статора. Так как электромагнитный момент асинхронного двигателя определяется как [5,6]

электромагнитный момент асинхронного двигателя: формула
(1)

где мгновенное значение тока фазы асинхронного двигателя: формула - мгновенное значение тока фазы асинхронного двигателя; мгновенное значение э.д.с. фазы асинхронного двигателя:  формула - мгновенное значение э.д.с. фазы асинхронного двигателя; угловая частота вращения ротора асинхронного двигателя: формула - угловая частота вращения ротора, то увеличение пульсаций тока и э.д.с. фазы приводят к увеличению пульсаций электромагнитного момента двигателя, ведущее к неравномерному вращению ротора (пульсации скорости) асинхронного двигателя. Причиной такого поведения частотно-регулируемого привода с асинхронным двигателем является несинусоидальность питающего напряжения статора асинхронного двигателя (выходного напряжения автономного инвертора напряжения) [6]. Пульсирующий характер выходных напряжений автономных инверторов напряжения обусловлен несовершенством существующих алгоритмов управления ключами автономных инверторов напряжения, особенно в области малых частот. Улучшить качество выходного напряжения автономного инвертора напряжения (снизить спектральный состав) возможно при уменьшении периода модуляции с использованием известных алгоритмов ШИМ, ШИР, АИМ, ШИР-ШИМ и др. Однако это уменьшение ограничено динамическими возможностями силовых полупроводниковых ключей и значительным ростом дополнительных коммутационных потерь. Поэтому разработка эффективных алгоритмов управления силовыми ключами автономного инвертора напряжения, позволяющих улучшить качество выходного напряжения без специальных изменений схемы автономного инвертора напряжения с использованием отечественной элементной базы, является актуальной [1].

В электромеханизмах с редуктором мехатронных систем малых перемещений одним из важнейших параметров является передаточное отношение редуктора, необходимое для согласования энергетических характеристик привода и объекта управления. Тип редуктора передаточного механизма (ПМ) выбирается исходя из требуемых технических характеристик электромеханизма мехатронной системы, условий эксплуатации, надежности и других факторов. Известно также [7], что потери в механическом редукторе, эксплуатационные затраты и значительная его масса требуют по возможности уменьшения величины механической редукции. Исходя из основных условий работы электромеханизма мехатронной системы (достижение заданных максимального ускорения выходного звена исполнительного механизма и минимума времени переходного процесса), механические редукторы рассчитываются на оптимальное передаточное отношение, определяемое выражением [7]

оптимальное передаточное число редуктора асинхронного двигателя: формула
(2)

где i - передаточное число редуктора; КПД редуктора асинхронного двигателя - КПД редуктора; момент, развиваемый исполнительным электродвигателем , момент, необходимый для перемещения неуравновешенных масс - момент, развиваемый исполнительным электродвигателем (ИЭ), и момент, необходимый для перемещения неуравновешенных масс, включая переносимый груз (для промышленного робота и манипулятора); моменты инерции ротора исполнительного электродвигателя с приведенным к нему моментом инерции редуктора и момент инерции нагрузки - моменты инерции ротора ИЭ с приведенным к нему моментом инерции редуктора и момент инерции нагрузки соответственно; угол поворота выходного вала - заданный угол поворота выходного вала; установившаяся скорость выходного вала - установившаяся скорость выходного вала.

Если величиной статического момента по условиям работы мехатронной системы можно пренебречь, то выражение (2) можно представить в упрощенном виде:

оптимальное передаточное число редуктора асинхронного двигателя: формула
(3)

Известно, что изменение выходных механических характеристик мехатронной системы возможно за счет изменения передаточного отношения редуктора ПМ. Однако диапазон изменения передаточного отношения в пределах, близких к оптимальному оптимальное передаточное число редуктора асинхронного двигателя, невелик и выход за его пределы может привести к потере мощности, быстродействия привода, заклиниванию механических передач. Эту проблему можно решить также, используя многоступенчатые редукторы с различным числом ступеней. В этом случае [8] предпочтение следует отдавать системам с меньшим числом ступеней редуктора, так как они имеют ряд преимуществ по сравнению с системами с большим числом ступеней редуктора, а именно: более высокие надежность и КПД, меньшие люфты в механических передачах. Расширение диапазона регулирования электропривода с асинхронным двигателем позволит уменьшить число ступеней редуктора (а в некоторых случаях и отказаться от него), тем самым, обеспечить вышеуказанные преимущества систем с меньшим числом ступеней редукции, а также уменьшить общую массу и стоимость привода и мехатронной системы в целом.

В настоящее время существуют методы улучшения равномерности вращения ротора асинхронного двигателя в области малых скоростей [1,4,9]. Уменьшение пульсаций момента асинхронного двигателя обеспечивается при помощи введения в систему управления привода дискретного контура стабилизации скорости, осуществляющего в области низких частот модуляцию тока статора за счет дополнительной коммутации тиристоров группы "вперед-назад". Фирма ABB (Финляндия) предложила в электроприводе ACS-600 систему Direct Torque Control, в которой стабилизация момента асинхронного двигателя осуществляется поддержанием заданного угла между векторами потокосцепления ротора и статора путем изменения очередности переключения ключей автономного инвертора напряжения (изменения алгоритма управления ключами автономного инвертора напряжения). Специалистами разработаны и предложены симплексные алгоритмы управления трехфазными автономными инверторами напряжения, позволяющие улучшить форму выходного напряжения инвертора за счет уменьшения периода модуляции.

Однако эти подходы имеют ряд существенных недостатков:

  1. Уменьшение периода модуляции ограничено динамическими возможностями полупроводниковых ключей и приводит к росту коммутационных потерь и необходимости применения дорогостоящих специальных импортных силовых полупроводниковых модулей.
  2. Точное измерение вектора потокосцепления ротора асинхронного двигателя затруднено и возможно при помощи специальных измерительных устройств, которые необходимо размещать внутри конструкции асинхронного двигателя. Косвенное определение модуля вектора потокосцепления ротора по значениям токов статора требует наличия дополнительных быстродействующих вычислительных устройств в системе управления.

При решении проблемы малых перемещений в мехатронной системе следует учитывать, что при выборе элементов силового канала электропривода важным фактором является согласование предельных механических характеристик мехатронной системы и энергетических характеристик элементов силового канала. Так как естественные механические характеристики асинхронного двигателя являются неудобными для обеспечения требуемых режимов работы исполнительных электромеханизмов мехатронных систем, то возникает также необходимость получения искусственных механических характеристик асинхронного двигателя путем регулирования амплитуды и частоты выходного напряжения автономного инвертора напряжения. При этом мехатронные системы могут работать и в экстремальных режимах с перегрузкой по моменту, что требует адекватного увеличения амплитуды выходного напряжения инвертора и допустимой перегрузки силовых ключей по току и напряжению. Следовательно, выбор силовых элементов автономного инвертора напряжения должен производиться с учетом возможной их кратковременной перегрузки по току и напряжению, что связано с согласованием предельных энергетических характеристик автономного инвертора напряжения с областью предельно возможных динамических состояний системы "двигатель - исполнительный механизм" [10].

Возможно достижимое расширение диапазона регулирования скорости асинхронных двигателей в мехатронных системах позволит упростить передаточные механизмы, повысить надежность и работоспособность узлов малых перемещений. Для решения указанной проблемы необходимо выполнить оптимизационные исследования по ряду направлений, в частности:

- разработка алгоритмов управления автономного инвертора напряжения, улучшающих качество выходного напряжения в области малых частот;

- поиск критериев выбора энергетических характеристик автономного инвертора напряжения, подбора переключающих силовых элементов и требуемой его перегрузочной способности по моменту исполнительных электромеханизмов мехатронных систем при работе в экстремальных условиях.

Литература

1. Изосимов Д.Б., Рывкин С.Е., Шевцов С.В. Симплексные алгоритмы управления трехфазным автономным инвертором напряжения с ШИМ. // Электротехника, 1993, № 12, с. 14-20.

2. Свечарник Д.В. Электрические машины непосредственного привода. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

3. Меклер А.Г. Линейный электропривод подъемно-транспортных машин // Электротехника, 1976, №8, с. 24-27.

4. Затрубщиков Н.Б., Комков В.А., Повышение равномерности вращения частотно-регулируемого электропривода на базе инвертора тока с дискретным контуром стабилизации скорости. // Динамика и функционирование электромеханических систем. Сб. науч. тр. - Тула, 1989, с. 5-11.

5. Иваненко В.Н., Рогачев С.И., Пимонов А.П., Гусевский Ю.И., Евзипова Э.Г. Пульсация электромагнитного момента при несинусоидальном питании асинхронного двигателя. - Изв. вузов СССР. Электромеханика, 1985, № 9, с. 46-51.

6. Андерс В.И., Грапонов В.Г., Лопатин В.А. Аналитический расчет электромагнитных процессов в приводе переменного тока. Электричество, 1990, № 12, с. 38-43.

7. Поздняков О.И. Электропривод промышленных роботов: Учебное пособие - М.: Издательство МПИ, 1990. - 116 с.

8. Метельков В.П., Созонов В.Г. Оптимизация весогабаритных показателей комплекса "двигатель-редуктор". - Изв. вузов СССР. Электромеханика, 1985, № 3, с. 62-66.

9. Ишханов П.Э., Чуриков А.М. Исследование электромагнитных процессов в асинхронном электродвигателе с преобразователем частоты. Приводная техника, 1998, № 3, с. 12-16.

10. Электропривод летательных аппаратов: Учебник для авиационных вузов/ В.А. Полковников, Б.И. Петров, Б.Н. Попов и др.; Под общ. ред. В.А. Полковникова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 352 с.

Источник информации: http://www.eprivod.ru/public_async1.htm

143500, Московская область, г. Истра, а/я 25 Тел (49631) 4-66-21, 3-40-70