Saafonov (1)

входят типовые узлы: регуляторы скорости и тока, ограничители координат и т.д. Регулятор скорости для повышения статической точности регулирования выполняется чаще всего пропорционально-интегральным. Схема такого регулятора приведена на рис. 2.31. Он построен на двух операционных усилителях DA1 и DA2. Задание на скорость (инверсный сигнал регулятора положения или микропроцессора) подается на вход DA1 через резистор R6. Сигнал обратной связи по скорости снимается с тахогенераторз, фильтруется фильтром R1C1R2 и подается на вход DA1 через резистор R7. Цепочка C2R8обеспечивает введение дополнительной гибкой обратной связи по скорости, в результате чего улучшаются динамические показатели системы. Делитель R3R4R5 служит для задания смещения, с его помощью выставляется ’’нуль” скорости при нулевом задании. Стабилитроны VD3 и VD4 ограничивают темп нарастания тока, вторую производную по скорости, т.е. рывок. С выхода DA1 сигнал подается на вход DA2 через резистор R10. Заданная передаточная функция регулятора скорости обеспечивается выбором параметров C3R10 и C4R11.

Емкости в обратной связи DA2 через время, достаточное для торможения, шунтируются контактами S.

При использовании высокомоментных двигателей необходимо обеспечить ограничение токов, зависящее от скорости. Для того чтобы не произошло размагничивания постоянных магнитов, ограничение тока должно соответствовать кривой, изображенной на рис. 2.32. Следовательно, напряжение на выходе регулятора скорости должно изменяться в пределах от Ui до U2 в зависимости от скорости двигателя. Схема узла зависимого токоо граничения приведена на рис. 2.33. Сигнал с та хо генератора подается на DA1, где ограничивается по уровню стабилитронами VD5 и VD6. С выхода DA1 напряжение подается на DA2, и за счет соответствующего включения диодов на выходе микросхемы появляется напряжение, пропорциональное модулю скорости. Этот сигнал подается на вход DA3, сюда же поступает напряжение —Un. При скорости, равной нулю, на выходе DA3 появляется напряжение, ограниченное стабилитроном VD9. Начиная с определенного значения скорости

cot это напряжение уменьшается до значения Ui (to = соном). Это напряжение инвертируется инвертором DA4. Напряжение с выхода узла зависимого tokooi

раничения подается в диагональ моста, образованного VD10, VD11, R16, RI7, а в другую диагональ подается напряжение с выхода PC. В момент равенства напряжений PC и узла зависимого токоограничения открывается диод VD10 или VD11 (в зависимости от полярности на выходе PC) и в обратную связь PC включается резистор R16 или R17, тем самым ограничивается входное

напряжение PC, являющегося задающим для контура тока.

Гпава третья

ЭЛЕКТРОПРИВОД ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ С АСИНХРОННЫМИ И СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

3.1. Асинхронные и синхронные двигатели для промышленных

роботов

Электрические машины постоянного тока имеют существенный недостаток, ограничивающий их применение для ПР, а именно щеточноколлекторный узел, через который проходит основной поток мощности. Известно, что в процессе эксплуатации этот узел требует регулярного ухода, а если учесть, что на ПР установлено несколько двигателей, а в цехе — несколько ПР, то набегает большой объем работ по обслуживанию и ремонту. Искрение, возникающее на коллекторе, не позволяет использовать ПР с такими двигателями в пожароопасных местах, например на участке покраски. Щеточно-коллекторный узел к тому же ограничивает максимальное значение тока, т.е. момент и соответственно быстродействие. Наличие этого узла ухудшает также массогабаритные показатели электрической машины, а следовательно, динамические показатели ПР. Все это привело к необходимости разработки для ПР электроприводов переменного тока.

Наиболее простым, дешевым и надежным двигателем переменного тока является асинхронный двигатель (АД). Промышленностью выпускаются двухфазные и трехфазные АД. В двухфазных АД магнитное поле статора создается двумя обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 90°, а в трехфазных АД — тремя обмотками, сдвинутыми относительно друг друга на 120°. Соответственно питание этих АД осуществляется от двухфазных или трехфазных преобразователей частоты.

Массовой серией на сегодняшний день является серия 4А трехфазных АД с короткозамкнутым ротором, рассчитанных на частоту питания 50 Гц (табл. 3.1).

Для уменьшения момента инерции АД изготовляют с полым немагнитным ротором. Статор такого АД ничем не отличается от статора АД обшего назначения. Внутри немагнитного стакана аналогично машине постоянного тока с полым немагнитным якорем (см. § 2.1) расположен внутренний статор, который также служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути основного магнитного потока. Недостатком этого АД является наличие двойного зазора, что приводит к возрастанию тока намагничивания и снижению коэффициента мощности. Уменьшить немагнитный зазор можно путем использования полого ферромагнитного ротора. В этом случае отпадает необходимость во внутреннем статоре, поскольку поток замыкается по ротору, но, чтобы он не насыщался, его изготовляют более толстым, что приводит к увеличению момента инерции. В

СССР выпускаются АД с полым немагнитным ротором серий АДП и ДИД.

Тип	Мощность,	Сколь	КПД, %	COS ifi	Число пар	^п	Г абаритные размеры		Момент			Масса,
двигателя	кВт	жение,			полюсов
		%				Люм	Длина,	Диаметр,	инерции,			кг
							мм	мм	10“	4	кг'м„
4АА502УЗ	0,09	8,6	60	0,7	1	5	176	112	0,98			3,3
4АА50В2УЗ	/Ь,12	9,7	63	0,7	1	5	176	112	1,07			3,3
4АА56А2УЗ	0,18	8	66	0,76	1	5	194	128	16,6			4,5
4АА56В2УЗ	0,25	8	68	0,77	1	5	194	128	18,6			4,5
4А63А2УЭ	0,37	8,3	70	0,86	1	5	216	138	30,5			6,3
4А6ЭВ2УЗ	0,55	8,5	73	0,86	1	5	216	138	36			6,3
4А71А2УЗ	0,75	5,3	77	0,87	1	5,5	285	170	39			15,1
4А71В2УЗ	1,1	6,3	77,5	0,87	1	5,5	285	170	42			15,1
4А80А2УЗ	1,5	5	81	0,85	1	6,5	300	186	73			17,5
4А80В2УЗ	2,2	5	83	0,87	1	6,5	320	186	85			20
4А902УЗ	3	5,4	84,5	0,88	1	6,5	350	208	141			28,7
4А1002УЗ	4	4	86,5	0,89	1	7,5	365	235	237			36
4А1002УЗ	5,5	4	87,5	0,91	1	7,5	395	235	300			42
4АА50А4УЗ	0,06	8,1	50	0,6	2	5	176	112	1,15			3,3
4АА50В4УЗ	0,09	8,6	55	0,6	2	5	176	112	1,3			3,3
4АА56А4УЗ	0,12	8	63	0,66	2	5	194	128	28			4,5
4АА56В4УЗ	0,18	8,7	64	0,64	2	5	194	128	31,5			4,5
4АА634УЭ	0,25	8	68	0,65	2	5	216	138	49,5			6,3
4АА63В4УЭ	0,37	9	68	0,69	2	5	216	138	55			6,3
4А71АУЗ	0,55	8,7	70,5	0,7	2	4,5	285	170	52			15,1
4А71В4УЗ	0,75	8,7	72	0,73	2	4,5	285	170	57			15,1
4А80А423	1,1	6,7	75	0,81	2	5	300	186	129			17,5
4А80В4УЗ	1,5	6,7	77	0,83	2	5	320	186	133			20
4А04УЗ	2,2	5,4	80	0,83	2	6	350	208	224			28,7
4А1004УЗ	3	5,3	82	0,83	2	6,5	365	235	347			36
4А1004УЗ	4	5,3	84	0,84	2	6	395	235	450			42
4А112М4УЗ	5,5	5	85,5	0,84	2	7	452	260	700			56

Принцип действия АД (двухфазных и трехфазных с ротором типа ’’беличьей клетки” и полым немагнитным ротором) одинаков, поэтому и уравнения, описывающие поведение АД, одинаковы.

Как известно из теории электрических машин [8], любая многофазная, в том числе и трехфазная, электрическая машина может быть приведена к эквивалентной обобщенной двухфазной. В настоящее время для описания поведения электрических машин переменного тока используют двухфазную модель, что обеспечивает общность рассмотрения машин с любым числом фаз. Кроме того, такая двухфазная модель удобна для построения системы управления. Приведение параметров многофазной машины к двухфазной модели осуществляется на основе равенства мощностей реальной машины и модели.

Применительно к трехфазной машине указанное выше преобразование любой реальной переменной (тока, напряжения и т.д.) осуществляется по формулам

гдѐ Х а , Х р — переменные эквивалентной двухфазной модели; X А, X в - X с — переменные реальной электрической машины.

Схема двухфазной модели АД показана на рис. 3.1. Уравнения динамики, описывающие поведение асинхронного электромеханического преобразователя энергии, могут быть записаны в различных системах координат. Естественно, что при одинаковых динамических свойствах громоздкость записи фактически одних и тех же уравнений будет зависеть от правильности выбора системы координат. Для записи урав

нений асинхронного электромеханического преобразователя энергии чаще всего выбирают оси X Y , вращающиеся совместно с полем статора. В этом случае напряжения (токи), приложенные к обмоткам статора и изменяющиеся во времени по гармоническим законам, преобразуются в постоянные величины. В общем случае уравнения электрической машины могут быть записаны также в осях, связанных со статором или ротором или вращающихся с произвольной скоростью. Переход от одной системы координат к другой можно рассматривать как проекцию реальных величин на оси другой системы. Преобразования реальных величин к вращающимся могут быть получены по формулам нахождения проекций.

Уравнения асинхронного электромеханического преобразователя энергии в осях X Y записываются в виде [8]

где u l x , u l y - проекции напряжения статора на оси О Х и O Y ;	i l x ,	h y и h x -	h y
— проекции токов статора и ротора на оси O X h O Y - , ^1х,	^ \ у	и ^ 2х ' ^ 2у	~
проекции потокосцеплений статора и ротора на оси О Х и O Y \	R t , R 2 - активные

сопротивления статора и ротора; L \ , L 2 - собственная индуктивность цепи статора и ротора; L i 2 - взаимная индуктивность статора и ротора; <^0эл. шэл - электрические скорости поля статора и ротора; р п - число пар полюсов; М - момент АД.’

Электрическая скорость ооэл связана с механической со соотноше нием соэд = р п со0, где со0 — синхронная скорость.

Система уравнений (3.2) охватывает все практически используемые режимы работы асинхронного привода. Уравнения, соответствующие конкретному режиму работы, получаются из (3.2) при наложении определенных условий. Так, широко используемое частотно-токовое управление [12] получается путем замены в (3.2)

первых двух уравнений системы на тождества i l x =/,, i l y = /2. Статический режим работы АД может быть получен из (3.2) путем приравнивания всех производных нулю.

Статическая механическая характеристика АД нелинейна и может быть описана выражением

2 М к о ( 1 + о s к « )
М = —•	(3 3)
S ' S K p + S K p i S + ^ a S K p
где М кр — критический момент АД; sKp —	критическое скольжение,
соответствующее Л/кр; a - R 1/ R 2
Скольжение АД связано со скоростью соотношением

5 = (wo — cj)/u)q.

При малых значениях а механическая характеристика АД с большой степенью точности выражается так:

2А/К0
М = --------	^----------	.	(3.4)
s/	5кр + SK.plS

Таким образом, статическая механическая характеристика АД определяется двумя величинами: М к р и sKp, которые в свою очередь зависят от параметров АД. Так, при питании АД от источника напряжения критический момент связан с параметрами, приводимыми в каталогах, следующим соотношением:

i u l

М к р =	------- Ф ■ -		— .		(3-5)
	2со0 (/?!±V«1+ *к)
где Х к	= X t	+ Х 2 — индуктивное сопротивление короткого замыкания; X i =				( L 1
- L и) ш 0 р п		- индуктивное сопротивление рассеяния цепи статора; Х г		=	( L 2	~ L
l 2 ) w0Pn ~ индуктивное сопротивление рассеяния цепи ротора; Х \				=	Х 2 к \	—
приведенное		в цепи	статора индуктивное сопротивление цепи ротора; к е			—

коэффициент трансформации, значение которого приводится в каталогах; i/ф -

фазное напряжение статора.

Критическое скольжение определяется следующим выражением:

где R 2 - R 2 к е ~ приведенное сопротивление роторной цепи.

При питании АД от источника тока для статической характеристики справедлива та же зависимость (3.4), изменятся лишь значения критического момента и критического скольжения. Критический момент трехфазного АД при питании от источника тока может быть определен по формуле [8]

здесь Х р = сооэл^ 1 2 _ индуктивное сопротивление контура намагничивания; I i

— действующее значение тока фазы АД.

На рис. 3.2 показаны статические характеристики АД при питании его от источников напряжения и тока. Режимы подобраны таким образом, чтобы критический момент оставался неизменным. Сравнение этих характеристик показывает, что при питании от источника тока механическая характеристика (кривая 2 ) имеет более высокую жесткость на рабочем участке и при этом меньший пусковой момент. Объясняется это тем, что при питании АД от источника тока при изменении скорости изменяется основной поток машины, а при питании АД от источника напряжения (кривая 1 ) он практически не изменяется. Однако,

как показано выше, электроприводы ПР все время работают в динамических

режимах. В цикле работы статические установившиеся режимы практически отсутствуют, поэтому при анализе работы АД в электроприводе ПР необходимо пользоваться системой уравнений (3.1).

Допустимая нагрузка АД зависит от режима работы и способа управления. Так, при частотном регулировании скорости с ростом частоты возрастают потери в стали, и, следовательно, необходимо снижать нагрузку на валу двигателя. Примерная зависимость допустимой нагрузки от скорости (частоты вращения п ) для АД серии 4А показана на рис. 3.3. Как правило, электроприводы ПР работают в повторно-кратковременном режиме работы (S3). Допустимая нагрузка в этом случае зависит от продолжительности включения, определяемой как отношение времени работы ко времени цикла /ц, выраженное в процентах:

ПВ =_1100%,

'ц

а также от времени цикла. Зависимость допустимой нагрузки от ПВ и времени цикла показана на рис. 3.4. За базисное значение здесь принят длительно допустимый момент Мдоп0 при частоте вращения, равной нулю. Приведенные зависимости допустимой нагрузки определяют необходимые защиты электропривода.

Синхронный двигатель (СД) конструктивно отличается от АД только устройством ротора. Статор не имеет отличий. В зависимости от конструкции ротора СД подразделяются на СД активного и пассивного типов. Роторы активного типа имеют либо электромагнитное возбуждение, либо постоянные магниты. Синхронные двигатели с электромагнитным возбуждением в электроприводе ПР не применяются из-за сложности организации их возбуждения и наличия скользящего контакта. Конструктивное сходство СД и АД и обусловило создание на базе АД серии 4А синхронных машин типа 4СХ2Г1. Эти СД имеют обычную конструкцию, ротор содержит тангенциально намагниченные постоянные магниты из феррита бария или феррита стронция. Двигате-

Таблица 3,2

Тип	Допустимый моЧастота враще-		Ток стато- г> гтл п ра, А
двигателя	мент нагрузки, Нм ния, об/мин		ЭДС' В
4СХ2П90	13	1500	4,3	125
4СХ2П100	21	1500	10	110
4С2П112	35	1500	12	115

Сопротивление Момент инерции Габаритные разстатора,			Масса, кг
Ом ротора, кг-м2	меры, мм
1,6	0,8	253x446x200	33
0,71	1,4	253x477x208	39
0,82	3	310x518x240	60

ли предназначены для питания их от преобразователей частоты с широтноимпульсным регулированием напряжения. Они снабжены встроенными фотоэлектрическим датчиком угла поворота и положения ротора, тахогенератором