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 (МС) на базе регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока. Одним из перспективных направлений в развитии электроприводов является использование в качестве исполнительных электродвигателей (ИЭ) асинхронных двигателей (АД) [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 АД в МС малых угловых и линейных перемещений. Особенностью таких МС 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 МС 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 МС. 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 МС показатели такого электропривода вполне сравнимы с массогабаритными показателями редукторного электропривода.

Ограниченность использования современного частотно-регулируемого электропривода на базе 3-х фазного АД в МС 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 АД при низких частотах питающего напряжения статора (ниже 2-2,5 Гц). При анализе электромагнитных процессов в системе "автономный инвертор напряжения (АИН) - асинхронный двигатель" (АИН®АД) при 150 эл. град. и 180 эл. град. углах управления ключами АИН [1] установлено, что с уменьшением относительной частоты (угловой скорости вращения ротора АД) увеличиваются пульсации выходного напряжения АИН, а, следовательно, и пульсации фазных токов статора. Так как электромагнитный момент АД определяется как [5,6]

(1)

где - мгновенное значение тока фазы АД; - мгновенное значение э.д.с. фазы АД; - 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) АД. Причиной такого поведения частотно-регулируемого привода с АД является несинусоидальность питающего напряжения статора АД (выходного напряжения АИН) [6]. Пульсирующий характер выходных напряжений АИН обусловлен несовершенством существующих алгоритмов управления ключами АИН, особенно в области малых частот. Улучшить качество выходного напряжения АИН (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 АИН, позволяющих улучшить качество выходного напряжения без специальных изменений схемы АИН с использованием отечественной элементной базы, является актуальной [1].

В электромеханизмах с редуктором МС 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 МС, 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 МС (достижение заданных максимального ускорения выходного звена исполнительного механизма и минимума времени переходного процесса), механические редукторы рассчитываются на оптимальное передаточное отношение, определяемое выражением [7]

(2)

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

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

(3)

Известно, что изменение выходных механических характеристик МС возможно за счет изменения передаточного отношения редуктора ПМ. Однако диапазон изменения передаточного отношения в пределах, близких к оптимальному , 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 АД 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 МС в целом.

В настоящее время существуют методы улучшения равномерности вращения ротора АД в области малых скоростей [1,4,9]. Уменьшение пульсаций момента АД 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 АД осуществляется поддержанием заданного угла между векторами потокосцепления ротора и статора путем изменения очередности переключения ключей АИН (изменения алгоритма управления ключами АИН). Специалистами ВНИИ Электропривод разработаны и предложены симплексные алгоритмы управления трехфазными АИН, 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 АД затруднено и возможно при помощи специальных измерительных устройств, которые необходимо размещать внутри конструкции АД. 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 МС следует учитывать, что при выборе элементов силового канала электропривода важным фактором является согласование предельных механических характеристик МС и энергетических характеристик элементов силового канала. Так как естественные механические характеристики АД являются неудобными для обеспечения требуемых режимов работы исполнительных электромеханизмов МС, то возникает также необходимость получения искусственных механических характеристик АД путем регулирования амплитуды и частоты выходного напряжения АИН. При этом МС 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 АИН должен производиться с учетом возможной их кратковременной перегрузки по току и напряжению, что связано с согласованием предельных энергетических характеристик АИН с областью предельно возможных динамических состояний системы "двигатель - исполнительный механизм" [10].

Возможно достижимое расширение диапазона регулирования скорости АД в МС 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 АИН, улучшающих качество выходного напряжения в области малых частот;

- поиск критериев выбора энергетических характеристик АИН, подбора переключающих силовых элементов и требуемой его перегрузочной способности по моменту исполнительных электромеханизмов МС 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.