Регулируемый электропривод переменного тока

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области электрооборудования, а именно к регулируемым электроприводам переменного тока, и может быть использована для автоматизации металлорежущих станков, электромеханических роботов, управления других механизмов систем робототехники.
Уровень техники
В современных электроприводах наивысшее значение КПД, как правило, достигается при работе при номинальных параметрах, то есть при заданной скорости вращения, заданном моменте нагрузке, заданной температуре двигателя, установленном напряжении питания.
В случае изменения данных параметров не гарантируется оптимальный КПД, а при работе в режиме холостого хода (когда момент нагрузки равен нулю), либо в режиме короткого замыкания (когда скорость равна нулю) механическая мощность на валу двигателя считается равной нулю и, соответственно, КПД системы в классическом понимании тоже становится равным нулю. Как показывают исследования и эксперименты, чем больше данные отклонения, тем меньше КПД системы. Таким образом, любое отклонение параметров, воздействующих на систему, влияет на ее КПД, и при формировании управления данный эффект требуется учитывать. Снижение КПД приводит в первую очередь к нагреву электродвигателя, и в конечном счете, к снижению производительности механизма, управляемого электроприводом. В настоящее время решение проблемы осуществляется за счет увеличения массогабаритных показателей электродвигателя и применения электродвигателей с избыточной мощностью.
Близким техническим решением является сервопривод (Г.И. Гульков и др. Системы автоматизированного управления электроприводами Учебное пособие. Под общ. ред. Ю.Н. Петренко - Минск; ООО «Новое знание», 2004. стр. 249-251), содержащий датчик входного сигнала, выход которого подключен к первому входу измерителя рассогласования, второй вход которого подсоединен к выходу датчика положения, а выход ко входу управления преобразователя, соединенного с электродвигателем, связанным с исполнительным органом, на котором установлен датчик положения.
Недостатком известного устройства является низкая надежность электропривода, вызванная потерей его устойчивости в заданном положении и переходом в режим автоколебаний, обусловленных наличием различных механических факторов, что приводит, в свою очередь, к перегреву обмоток электродвигателя сервопривода
Известен частотно-управляемый синхронный электропривод (Авторское свидетельство №1317634, опубл.: 15.06.1987), содержащий синхронный двигатель, к обмоткам статора которого подключены выходы регулируемого источника тока, датчик углового положения, установленный на валу синхронного двигателя, блок задания амплитуды тока статора, формирователь импульсов, два счетчика, каждый из которых снабжен входом записи и суммирующим входом, два постоянных запоминающих блока, два цифроаналоговых умножителя и сумматор.
Недостатками указанного устройства является наличие двух датчиков: датчика положения ротора и датчика частоты вращения ротора, а регулирование тока двигателя осуществляется в трехфазной системе координат. Указанные факторы приводят к снижению надежности устройства и к большим пульсациям момента на высоких скоростях вращения.
Кроме того, известен электропривод переменного тока [Авторское свидетельство №1367121, опубл. 15.09.1987], являющийся близким техническим решением, который содержит синхронный электродвигатель, подключенный фазными обмотками к выходу автономного инвертора напряжения, блок задания управляющего сигнала, блок переменного перемножения, датчик фазных токов, выход которого подключен к первому входу блока перемножения, второй вход которого подключен к выходу блока задания управляющего сигнала, а выход блока перемножения соединен с управляющим входом автономного инвертора напряжения.
Недостатком указанного устройства является то, что на высоких скоростях вращения ротора двигателя регулятор уходит в насыщение. Насыщается та фаза, в которой наблюдается наибольшее ЭДС. В то время как в других фазах формируемый желаемый ток, в той фазе, где произошло насыщение, ток отличается. Это приводит к тому, что вектор тока не только ограничивается по модулю, но и формируется с переменным углом относительно вектора потока. Это приводит к дополнительным пульсациям момента, что ухудшает точность управления электроприводом.
Техническая задача - создание энергоэффективного электропривода.
Технический результат, достигаемый с помощью предложенного решения, заключается в минимизации тока потребления электродвигателя, меньшем его нагреве и увеличении скорости перемещений вала.
Технический результат достигается тем, что в регулируемом электроприводе переменного тока, содержащем электродвигатель с постоянными магнитами, датчик положения ротора и сервоконтроллер, согласно предложенному решению обмотка электродвигателя выполнена с укороченным шагом, а соотношение ширины шлица паза магнитопровода к зубцовому делению равно 0,167÷0,25, при этом один вход сервоконтроллера соединен с выходом датчика положения для считывания данных с датчика положения ротора электродвигателя, дополнительные дискретные входы сервоконтроллера соединены с датчиками концевых положений, и сервоконтроллер связан с блоком управления через беспроводный цифровой канал для задания параметров вращения электродвигателя и цифровой проводной канал для подачи задания на выполнение перемещения в заданную точку пространства. Полезная модель поясняется рисунком
На рисунке представлена функциональная схема комплектного электропривода.
Осуществление полезной модели
Устройство состоит из сервоконтроллера и электродвигателя, которые установлены на механизм, обеспечивающий перемещение рабочего органа в пространстве. На валу электродвигателя 1 установлен датчик положения 2, который выдает в сервоконтроллер 3 информацию о положении ротора электродвигателя 1. Один вход сервоконтроллера 3 соединен с выходом датчика положения 2 для считывания данных с датчика положения ротора электродвигателя 1, дополнительные дискретные входы соединены с датчиками концевых положений для того, чтобы предоставить информацию сервоконтроллеру об абсолютном положении рабочего органа механизма. Сервоконтроллер 3, имеющий беспроводный цифровой канал для задания параметров вращения электродвигателя 1 и цифровой проводной канал для подачи задания на выполнение перемещения в заданную точку пространства, взаимодействует с блоком управления 4. Сервоконтроллер 3 снабжен микросхемой памяти, действующей на принципе постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), для хранения информации в виде списка возможных сочетаний в системе внешних факторов, таких как задание на скорость, реальная скорость вращения, ток электродвигателя, значение датчика температуры электродвигателя, а также значение коррекции угла положения ротора.
Принцип работы заявляемого устройства основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора. Сервоконтроллер 3, в общем случае, коммутирует вектор магнитного поля статора ортогонально вектору магнитного поля ротора по запрограммированным алгоритмам для обеспечения максимального вращающего момента. В результате взаимодействия потока, коммутируемого обмоткой статора, и потока возбуждения от постоянных магнитов, создается вращающий электромагнитный момент М, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки статора и возбуждения совпали, но датчик положения ротора, расположенный на общем валу с магнитопроводом ротора, осуществляет обратную связь синхронного двигателя с сервоконтроллером 3, образуя ортогональность векторов магнитных потоков статора и, таким образом, происходит управление.
Информация о требуемом угле положения ротора в зависимости от скорости и тока электродвигателя 1 заносится в микросхему памяти сервоконтроллера 3. Встроенный в сервоконтроллер 3 микропроцессор позволяет на основе информации с датчика положения ротора 2, с учетом информации из микросхемы памяти, обеспечить вращение электродвигателя 1 с наибольшим КПД. При этом задание на максимальную скорость перемещения может быть установлено, в том числе, по беспроводному интерфейсу, а задание на выполнение перемещения может быть передано по проводному интерфейсу, при этом перемещение выполняется на основе информации о граничных (предельных) положениях рабочего органа, которая поступает на дискретные входы сервоконтроллера 3.
В данном комплектном электроприводе корректировка относительно реального положения ротора осуществляется во всем диапазоне скоростей вращения, при этом корректировка может выполняться в том числе для получения эффекта размагничивания ротора.