Энергоподсистемы следящих электроприводов измерительных телескопов

5. Томасов В. С., Денисов К. М., Толмачев В. А. Следящие электроприводы систем наведения оптико-механических комплексов нового поколения. Проблемы и достижения // Тр. V междунар. (XVI Всеросс.) конф. по автоматизированному электроприводу. АЭП-2007. 18—21 сентября 2007 г. СПб, 2007. С. 175—177.

6. Горчаковский С. Н., Гришин Е. А., Иншин П. П., Новиков С. Б., Симонов Г. В., Шаргородский В. Д. Новая аппаратура для высокоточных наблюдений космических объектов: первые результаты измерений и перспективы развития Алтайского оптико-лазерного центра // Электромагнитные волны и электронные системы. 2007. Т. 12, № 7. С. 15—19.

7. Васильев В. П., Шаргородский В. Д. Прецизионная спутниковая лазерная дальнометрия на основе лазеров с высокой частотой повторения импульсов // Электромагнитные волны и электронные системы. 2007. Т. 12, № 7. С. 6—10.

8. Борцов Ю. А., Соколовский Ю. Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб: Энергоатомиздат, 1992.

9. Денисов К. М., Синицын В. А. Организация канала связи внутри контура регулирования прецизионного контура слежения // Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т. 45, № 8. С. 31—36.

10. Жданов И. Н., Денисов К. М. Организация канала обратной связи прецизионных следящих электроприводов // Тр. V Междунар. (XVI Всеросс.) конф. по автоматизированному электроприводу. АЭП-2007. 18—21 сентября 2007. СПб, 2007. С. 272—274.

11. Синицын В. А., Денисов К. М., Гурьянов А. В. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ. № 2005610208. Пакет программ настройки и отладки контуров регулирования N-координатного электропривода (ЭНСТОД). 2005.

12. Анисимов А. С., Колосов О. С., Никишин А. Ф., Спиридонов В. К. Структурная и параметрическая идентификация динамических объектов с несколькими налинейностями // Мат. II Междунар. конф „Идентификация систем и задачи управления — SICPRO". М.: Ин-т проблем управления, 2003. С. 256—278.

13. Ljung L. System Identification Toolbox User's Guide. Computation. Visualization. Programming. Version 5. The MathWorks, Inc. 2000.

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

электротехники и прецизионных 23.01.08 г.

электромеханических систем

УДК 621.314.333

В. А. Синицын, В. С. Томасов

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики

ЭНЕРГОПОДСИСТЕМЫ СЛЕДЯЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТЕЛЕСКОПОВ

Изложены принципы построения энергоподсистем следящих электроприводов измерительных телескопов. Проанализированы характеристики и свойства основных узлов энергоподсистем: первичных источников питания, электромеханических преобразователей энергии, усилительно-преобразовательных устройств на современной элементной базе.

Энергетическая подсистема (ЭП) следящего электропривода измерительного телескопа, как правило, состоит из сетевого и осевого модулей (рис. 1) и электромеханического преобразователя энергии (ЭМП) [1, 2].

В электромеханическом преобразователе электрическая энергия первичного источника питания ЭП преобразуется в механическую энергию на исполнительной оси следящего электропривода одной из координат телескопа. Сравнение свойств редукторных и безредукторых

электроприводов и анализ основных факторов, влияющих на характеристики высокоточных электроприводов, приводят к идее максимального упрощения кинематических передач в опорно-поворотном устройстве (ОПУ) и использования моментных двигателей, встраиваемых непосредственно в ОПУ телескопа на одни и те же подшипниковые узлы. Термин „мо-ментный" означает, что двигатели спроектированы специально для режима вращения с малой скоростью (строго говоря, для пускового режима), когда можно не учитывать все потери, связанные с быстрым вращением ротора.

Рис. 1

С учетом того, что машины постоянного тока обладают линейными механическими и регулировочными характеристиками, большинство систем наведения комплексов высокоточных наведений, созданных в НИИ Прецизионного приборостроения в содружестве с СПбГУ ИТМО („Сажень-ТМ", „Сажень-411-01", „Сажень-411-02", „Сажень-ТОС"), были реализованы на машинах этого типа, разработанных и изготовленных в СКБ „Львивска Политехника". Однако отсутствие щеточно-коллекторных узлов, простота реализации алгоритмов управления машинами переменного тока, большое отношение вращающего момента к моменту инерции ротора, определяющее предельное быстродействие машины, обусловливают применение в качестве ЭМП безредук-торного электропривода — синхронную машину с постоянными магнитами на роторе, используемую в режиме вентильного двигателя [3, 4]. Возможность уменьшения неравномерности момента за счет подбора формы фазных токов обеспечивает приближение свойств вентильного двигателя к идеальному источнику момента, а его бесконтактное исполнение позволяет существенно повысить надежность системы электропривода.

Требуемое качество слежения электроприводов новых комплексов высокоточных наблюдений обеспечивают высокомоментные синхронные двигатели, разработанные СКБ „Львивска Политехника", ЦНИИ „Электроприбор" (Санкт-Петербург), немецкой фирмой Danaher Motion, белорусско-немецкой компанией Ruchservomotor (Kollmorgen), итальянской фирмой Morion Control S.r.l. (см. таблицу).

В таблице приведены характеристики машин с примерно одинаковыми моментами. Двигатели этих производителей, как правило, обладают низкими пульсациями момента, комплектуются резольвером или оптическим датчиком (по выбору), имеют необходимое для таких систем внутреннее отверстие и достаточно большой магнитный зазор, позволяющий относительно свободно проводить их монтаж и сборку непосредственно в ОПУ. Пульсации момента несколько завышены у двигателя МД-500 производства ЦНИИ „Электроприбор". Однако здесь следует учитывать тот факт, что электрическая машина работает в замкнутой системе электропривода и при стационарном характере пульсаций всегда имеется возможность их компенсации. Для двигателей немецких

и итальянских производителей характерна высокая скорость холостого хода, что при одних и тех же развиваемых моментах приводит к более мягким механическим характеристикам этих машин, что требует, в свою очередь, больших коэффициентов усиления в контурах регулирования и соответственно меньшей помехоустойчивости системы наведения в целом. Более того, в случае аварийного сбоя в системе наведения скорость двигателя может устремиться к скорости холостого хода этих двигателей. При ограниченных углах поворота осей телескопа это может привести к разрушению механики ОПУ.

Параметр СКБ „Львивска Политехника"

Номинальный момент двигателя, нм 400 880 369 461 419

Максимальный момент двигателя, нм 1200 1400 1341 1119 1192

Постоянная по моменту, нм/А 50 73,3 37,53 18,3 50, 23

Коэффициент ЭДС, В-с/рад 50 47,7 8,49 33,2 не приводится

Номинальный ток фазы, А 6 12,5 9,9 23 8,34

Максимальный ток фазы, А 17 20 40 29,7 36,1

Сопротивление фазы, Ом 7 2,3 3,15 3,3 4,16

Напряжение питания, В 127 350 230 600

Максимальная скорость при номинальном моменте, рад/с 1,683 0,54 6,28 9,1 7,55

Число пар полюсов 17 128 16 32 48

Пульсации момента, % 8 30,8 3,39 1,1 не приводится

Момент инерции ротора, кг-м2 12 5,51 0,393 0,36 2,1

Внешний диаметр статора, мм 810 500 323,6 475 570

Осевая длина, мм 100 249 279,4 130 348

Масса двигателя, кг 230 215 73 107,4 155

Встроенный датчик положения ротора + — + — —

Сетевой модуль служит источником первичного питания подключаемых к нему осевых модулей каналов Аз и Ум, которые регулируют момент (ток), скорость и положение следящих осей по обеим координатам. Основным элементом осевого модуля, определяющего силовую нагрузку на сетевой модуль, являются транзисторные инверторы, работающие в качестве усилителей мощности ЭМП в замкнутых системах электропривода по каналам Аз и Ум.

Сетевой модуль в большинстве случаев состоит из понижающего трансформатора, полупроводниковых диодов и конденсатора поперечной ветви и может подключаться к зажимам первичной сети переменного тока через сетевой дроссель, который не только ограничивает величину пусковых токов, но и минимизирует влияние преобразователя на питающую сеть.

Следует отметить, что для рассматриваемых систем электропривода с использованием транзисторного инвертора в качестве усилителя мощности требование сглаживания пульса-

ций в выпрямленном напряжении не является определяющим [1, 5]. Решающими факторами при расчете и выборе параметров конденсатора являются:

— обеспечение надежной коммутации силовых ключей инвертора;

— прием энергии рекуперации вращающихся частей машины в тормозных режимах работы замкнутой системы электропривода.

В замкнутых по току и скорости следящих приводах измерительных телескопов при питании сетевого модуля ЭП от сети переменного тока с последующим выпрямлением возникают наиболее тяжелые условия работы сетевого модуля вследствие односторонней проводимости выпрямительных схем [5—7]. В таких системах на этапах торможения ЭМП существуют интервалы рекуперации энергии вращающихся частей в питающую сеть постоянного тока. Необходимо учитывать, что часть этой энергии рассеивается на сопротивлениях фаз ЭМП, и чем больше сопротивление фазной обмотки ЭМП (см. таблицу), тем меньшее количество энергии возвращается в звено постоянного тока.

Для обеспечения безопасной работы всей системы двухкоординатного электропривода и реализации эффективных режимов торможения должен быть гарантирован отвод оставшейся части энергии торможения. Возможны несколько вариантов отвода этой энергии при различных структурах поперечной ветви сетевого модуля [5, 7, 8]:

— возврат энергии в конденсаторы поперечных ветвей сетевого и осевого модулей;

— преобразование электрической энергии торможения в тепло (тормозное или балластное сопротивление);

— частичный возврат энергии в конденсаторы поперечных ветвей осевого и сетевого модулей и преобразование оставшейся части энергии в тепло (совместная установка конденсаторов и тормозного сопротивления);

— возврат в питающую сеть переменного тока (инвертор рекуперации на полностью управляемых приборах);

— обмен энергией при многоосевом исполнении (использование энергии торможения электромашиной другой оси).

Если по условиям работы замкнутой системы электропривода с заданными параметрами исполнительного двигателя удельные показатели конденсатора окажутся столь значительными, что практическая реализация такого фильтра будет неприемлема [5, 8], то параллельно конденсатору устанавливается дискретно функционирующая тормозная цепь (тормозной прерыватель). В состав этой цепи входит измерительное устройство с пороговым элементом и силовой транзистор с балластным сопротивлением в цепи коллектора (рис. 2).

При превышении на конденсаторе некоторого заданного уровня напряжения (как правило, немного меньшего номинального) силовой транзистор включается, и балластное сопротивление принимает энергию рекуперации вращающихся частей машины. Несмотря на некоторое снижение КПД всего устройства за счет рассеяния энергии рекуперации на балластном сопротивлении постановка такой цепи в большинстве практических случаев более эффективна, чем увеличение батареи конденсаторов фильтра.

При окончательном выборе схемы сетевого модуля следует иметь в виду: если емкость конденсатора поперечной ветви окажется столь значительной, что ток заряда в момент включения источника питания превысит допустимое для выбранного типа конденсатора и выпрямительных диодов значение, то либо продольная ветвь силовой цепи может быть дополнена индуктивностью, либо необходимо переходить к более сложной реализации схемы выпрямителя сетевого напряжения, позволяющей производить дозированную подачу напряжения на конденсатор [7].

Основной частью сетевого модуля является управляемый полупроводниковый преобразователь (УПП). Для управления вентильными двигателями в современных системах электропривода в большинстве случаях применяются автономные инверторы напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией [1, 2]. Такие преобразователи строятся по трехфазной схеме

на шести транзисторных ключах (см. рис. 2) и обеспечивают не только двусторонний обмен энергией между первичным источником энергии и электрической машиной, но и высокие показатели качества энергии, потребляемой от первичного источника питания.

ГО—ГБи уВх уо2 увъ

~220/380

Рис. 2

Управляемый полупроводниковый преобразователь преобразует электрическую энергию питающей сети в регулируемый поток энергии с параметрами, необходимыми для работы электромеханического преобразователя.

ЭП определяет предельно достижимые динамические характеристики электроприводов комплекса (максимальные скорость и ускорение следящих осей) и, в значительной степени, массогабаритные показатели систем управления. Причем следует иметь в виду, что в электроприводах, работающих на нагрузку с упругими связями, к ЭП могут быть предъявлены требования по достижению больших значений скорости и ускорения с целью демпфирования этих колебаний [9].

Каждый из силовых ключей АИН обычно дополняется схемой управления (СУ1—СУ6), выполняющей функции согласования сигналов и защиты силовых приборов. В цепь нагрузки преобразователя может быть включен фильтр нижних частот, предназначенный для сглаживания пульсаций тока в нагрузке, обусловленных импульсным характером выходного напряжения АИН, и для обеспечения электромагнитной совместимости элементов силового каскада с цифровой системой управления прецизионного комплекса.

Силовые ключи преобразователя целесообразно строить на основе либо мощных полевых транзисторов (МОП), либо биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) [1, 2]. И те, и другие приборы способны коммутировать требуемое напряжение (200—600 В) и токи (50—150 А). Однако если МОП-транзисторы обладают меньшими статическими и динамическими потерями мощности, то отличительной чертой БТИЗ является более мягкий характер процессов переключения и, как следствие, меньший уровень создаваемых помех. Частота переключения силовых элементов схемы выбирается в диапазоне от 2 до 20 кГц в зависимости от типа транзисторов, способа управления и характера нагрузки преобразователя. Перспективными элементами для построения выходных каскадов АИН следует считать так называемые интеллектуальные силовые модули. Такие приборы представляют собой интегрированные силовые устройства со схемами управления и защиты. Интеллектуальные модули пятого поколения, освоенные такими производителями силовой электроники, как „International Rectifier", „Mitsubishi Electric", „Infineon Technologies" и др., включают модели на рабочие токи от 10 до 200 А при напряжении до 600 В и модели на токи от 25 до 450 А и напряжение 1200 В, способные работать на частоте коммутации до 20 кГц. Модули поставляются с различным типом выводов (для пайки или с винтовыми контактами).

Отличительными особенностями этих модулей по сравнению с предыдущими разработками являются:

— низкое напряжение насыщения (1,5 В для моделей на 600 В и 1,9 В — для моделей на 1200 В);

— оптимальная траектория переключения силовых транзисторов, достигнутая благодаря применению схем управления, формирующих необходимую траекторию переключения, а также использованию специальных встроенных обратных диодов с малым временем и мягкой характеристикой восстановления;

— наличие индивидуальных для каждого транзистора схем защиты от перегрузки по току и перегрева и схемы контроля величины питающего напряжения;

— встроенный логический интерфейс, позволяющий подключать модуль к контроллеру непосредственно или через оптроны.

Таким образом, характерными особенностями энергоподсистем следящих электроприводов измерительных телескопов являются:

— использование бескорпусных (встраиваемых в ОПУ) моментных синхронных электромашин с постоянными магнитами на роторе;

— использование полевых транзисторов, транзисторов ЮВТ, электролитических конденсаторов с повышенной перегрузочной способностью;

— встроенная самодиагностика, сводящая к минимуму техническое обслуживание;

— электромагнитная совместимость с питающей сетью и высокие показатели качества потребляемой из сети энергии;

— малые удельные значения массы и объема элементов ЭП;

— возможность сопряжения с различными системами автоматизации и управления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глазенко Т. А., Томасов В. С. Состояние и перспективы применения полупроводниковых преобразователей в приборостроении // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39, № 3. С. 5—10.

2. Синицын В. А., Толмачев В. А., Томасов В. С. Системы управления комплексом позиционирования и слежения // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39, № 3. С. 22—27.

3. Беленький Ю. М., Зеленков Г. С., Микеров А. Г. Опыт разработки и применения бесконтактных моментных приводов. Л.: ЛДНТП, 1987. 27 с.

4. Ильинский Н. Ф., Бычков М. Г. Вентильно-индукторный привод для легких электрических транспортных средств // Электротехника. 2000. № 2. С. 28—31.

5. Глазенко Т. А., Томасов В. С. Особенности расчета силовых фильтров следящих систем электропривода ШИП-ДПТ // Межвуз. сб. „Электропривод и автоматизация в машиностроении". М., 1976. С. 30—38.

6. Томасов В. С., Серебряков С. А., Борисов П. А. Электромагнитные процессы в силовой цепи источника питания транзисторного ШИП, работающего в замкнутой системе электропривода // Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т. 45, № 8. С. 42—50.

7. Томасов В. С., Синицын В. А., Борисов П. А . Исследование электромагнитных процессов в энергетическом канале замкнутой системы электропривода постоянного тока // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47, № 11. С. 9—16.

8. Ефимов А. А., Шрейнер Р. Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока. Новоуральск: НГТИ, 2001.

9. Борцов Ю. А., Соколовский Г. Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб: Энерго-атомиздат, 1992.

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

электротехники и прецизионных 23.01.08 г.

электромеханических систем