ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Выше мы рассмотрели составные части электропривода: дви­гатели и преобразователи. Переходим к третьей, не менее важ­ной части электропривода,, системе управления и регулирования. Под управлением подразумевается способ изменения требуемого, уровня частоты вращения. В подавляющем большинстве случаев это достигается обычным потенциометром, который при повороте ползунка меняет задающее напряжение от 0 до ±10 В. Знаки ± определяют направление вращения по или против часовой стрел­ки. В нереверсивных приводах задающее напряжение имеет толь­ко один знак. Кроме ручного задания частоты вращения с по­мощью потенциометра, ее можно задавать напряжением, путем поворота сельсина, вращения тахогенератора, управления преоб­разователем импульсов напряжения и т. д. Поворот якоря тахо­генератора может производиться каким-либо органом станка.

В число управляющих команд входят изменение уровня часто­ты вращения, - пуск, реверс, торможение, регулировка и другие действия. Но есть еще воздействия на работу привода, которые происходят без вмешательства человека. Они предназначены для обеспечения жесткости механических характеристик; достижения максимального быстродействия; обеспечения разного рода защит; позиционирования вала двигателя; следящего режима электропри­вода; обеспечения широкого диапазона регулирования; обеспече­ния минимальной погрешности частоты вращения при изменении температуры, колебании сети и других факторах; организации

двухзонного регулирования (переход из зоны регулирования на­пряжением в зону регулирования током возбуждения); перехода из одного квадранта механической характеристики в другой.

Электропривод обеспечивает указанные свойства благодаря использованию различных систем автоматического регулирова­ния. Остановимся на общих вопросах автоматического регулирова­ния, без которого не обходится ни одно современное устройство. Рассмотрим автоматическое регулирование в системе электропри­вода. Например, в электроприводе имеется автоматическая систе­ма регулирования частоты вращения, которая обеспечивает ма­лую зависимость частоты вращения от нагрузки в широком диа­пазоне. Если мы к двигателю приложим постоянное напряжение, которое не будет меняться, то при росте нагрузки частота враще­ния начнет падать. Можно сопоставить это с движением автомо­биля. Если после прямой дороги перейти на подъем, не увеличи­вая нажатия педали газа, автомобиль вскоре остановится. Чтобы этого не произошло, вы должны прибавить газ, т. е. увеличить по­дачу энергии в двигатель. Но эта прибавка производится путем нажатия на педаль. В электроприводе «нажать педаль» при ро­сте нагрузки некому, он сам (автоматически) должен увеличить напряжение на двигателе, чтобы поддержать частоту вращения на заданном уровне. При этом, если прибавлять или убавлять энергию большими порциями, скорость будет периодически изме­няться (режим автоколебаний), малые порции могут привести к недопустимому падению или увеличению частоты вращения. Пра­вильно организованная система автоматического регулирования дозирует поток энергии так, чтобы сохранить частоту вращения на заданном уровне. Чтобы понять, как работает система автомати­ческого регулирования (САР), необходимо остановиться на так называемой обратной связи, без которой нельзя реализовать ав­томатическое регулирование.

Начнем с того, что САР, имеющая обратную связь, называет­ся замкнутой. Имеются разомкнутые системы, т. е. устройства без обратной связи. В области электропривода таким является диск­ретный электропривод, который в силу своего устройства может работать без обратной связи. Но при этОм он может «ошибаться», т. е. не всегда точно выполнить требуемую команду,

В современном приводе встречаются обратные связи по току, частоте вращения, напряжению, противо-ЭДС и другим парамет­рам. Рассмотрим работу главной из них — обратной связи по ча­стоте вращения. На рис. 22 показана структурная схема любой се­рии электропривода постоянного тока. Она состоит из двигателя 1, блока регуляторов 3, силового преобразователя 2, датчика об­ратной связи 5, источника задающего напряжения 4.

Работа САР состоит в следующем: пусть ненагруженный дви­гатель вращается на каком-то уровне частоты вращения. Этому режиму соответствует на входе усилителя сигнал AU, определяю­щий напряжение на якоре двигателя, а следовательно, и частоту вращения. Сигнал Д/У является разностью задающего сигнала и сигнала задатчика обратной связи и называется сигналом рассо­гласования Д£/ = t/зад—1/ос.

Рассмотрим поведение системы, когда к двигателю приклады­вается нагрузка. В первый момент частота вращения упадет, так как прикладываемая к двигателю «порция» энергии уже не может обеспечить его работу на той же частоте при наличии нагрузки. И вот тут вступает в действие обратная связь. Так как частота вращения упала, сигнал датчика обратной связи уменьшился. Раз­ность ДU между неизменным Uзад и I/ос увеличилась (новое зна­чение AU стало больше AU), следовательно, напряжение на якоре автоматически прибавилось. В результате упавшая частота вра­щения вновь увеличилась. Таким образом благодаря обратной свя­зи частота вращения практически перестала зависеть от нагруз­ки. Цель достигнута — привод обеспечивает жесткие механиче­ские характеристики. -

В качестве датчика обратной связи чаще применяют тахогене­ратор, представляющий собой электрическую машину, работаю­щую в генераторном режиме. Как известно, напряжение такой ма­шины прямо пропорционально частоте ее вращения. Тахогенера­тор, как правило, находится на валу якоря двигателя. Бывают слу­чаи, когда он приводится во вращение через ремень или зубча­тую передачу.

Для диапазонов регулирования до 1 :50 применять тахогене­ратор неэкономично. В этих случаях его заменяют эквивалентны­ми электрическими схемами: мостом противо-ЭДС (рис. 23, а) или обратной связью по напряжению (рис. 23, б). Эти способы приме­нены в приводах серий ПМУ, ЭТ1Е и др. Тут вместо тахогенера­тора применяют электрические схемы, формирующие напряжение, приблизительно пропорционально частоте вращения.

Вернемся к принципу обратной связи. Она может быть поло­жительной или отрицательной. В рассмотренном примере обрат­ная связь отрицательная (знак минус при Uoc), так как при отсут­ствии задающего сигнала сигнал обратной связи не увеличивает, а уменьшает напряжение на якоре двигателя. Если неправильно соединить выводы тахогенератора, обратная связь может стать по­ложительной. Признаком этого является выход двигателя на уро­вень максимальной, нерегулируемой скорости.

Рис. 25. Схемы токоограничения с трансформатором тока (а) и упреждающим

токоограничением (б)

Для предотвращения выхода из строя двигателя в схеме при­рода предусматривают цепи тока ограничения, работающие авто­матически. Типовая схема токоограничения представлена на рис. 25, а. Датчиком обратной связи по току является трансформа­тор тока, включенный, через первичную обмотку в одну из фаз се­тевого напряжения (ток в фазе растет с ростом тока якоря). Вто­ричная обмотка работает на выпрямитель VI, на выходе которого имеется стабилитрон V2. При пике тока стабилитрон «пробивает­ся», а образованное при этом напряжение запирает усилитель. В результате напряжение и ток в цепи якоря резко уменьшаются.

Есть еще одна схема — схема с упреждающим токоограниче­нием (рис.25,б). Цепь токоограничения содержит резисторы R1—R3 и диод V. Резисторы R2 и R3 образуют делитель напряже­ния тахогенератора G. Напряжение на R1 является опорным.

Работа схемы происходит следующим образом: если выходное напряжение операционного усилителя (ОУ) меньше опорного, тог­да і— токоограничения нет. Если ток в цепи якоря превышает до­пустимое значение, выходное напряжение А превышает опор­ное, диод V «пробивается». При этом выход А шунтируется цепью V, R1, что уменьшает выходное напряжение А и вместе с тем пре­дотвращает недопустимое увеличение тока в цепи - якоря двигате­ля. Остается объяснить необходимость изменения опорного напря­жения в зависимости от частоты вращения двигателя. Так как вы­ходное напряжение А тем больше, чем больше частота вращения, то при неизменном значении опорного напряжения токоограниче - ние было бы неодинаково — с ростом частоты вращения крат­ность допустимого тока относительно номинального уменьшалась. С целью сохранения кратности токов на заданном уровне необхо­димо, чтобы опорное напряжение росло с ростом частоты враще­ния и наоборот, что достигается включением делителей R2, R3 в цепь напряжения тахогенератора.

Теперь перейдем к важнейшему понятию — структурной схеме. Она существенно отличается от принципиальной электросхемы. Отличие состоит не в электрическом, а в функциональном содер­жании узлов САР привода. Структурная схема отражает назначе

Основным назначением уси­лительного блока является уси­ление сигнала рассогласования ДІЛ Попробуем разобраться, для чего это нужно. Очевидирі что коэффициентом усилений опреде­ляется чувствительность системы или быстрота ее реакции 'на из­менение условий работы. Н? ли ко­эффициент усиления МАЛ, то при росте нагрузки прибавка энергии недостаточна и частота враще­ния увеличивается мало, т. е. характеристики привода <5удут не­жесткими. Наоборот, при излишне большом коэффициенте усиле­ния добавка энергии будет избыточна и привод станет неустойчи­вым. Как же добиться одновременно хорошей жесткости привода и его устойчивости? Тут необходимо перейти к понятию коррекции, которое имеется в каждом современном приводе. Возникновение автоколебаний потребует их ликвидации за счет уменьшения ко­эффициента усиления (/Си). Но это приведет к нежесткости харак­теристик привода. Выходом из этого является повышение К„ до достижения режима автоколебаний и затем устранение их с по­мощью корректирующих цепей.

На рис. 24 показана наиболее распространенная электрическая схема цепи коррекции. Как видно из рисунка, параллельно уси­лителю включена ^С-цепь. При определенных значениях R я С (обычно Я = 20-н300 кОм,'а С=0,1-5-1 мкФ) автоколебания пропа­дают. Чем же это объяснить? Оказывается, здесь тоже имеется отрицательная обратная связь. Если раньше она действовала по постоянной составляющей сигнала, то теперь воздействие выходно­го сигнала усилителя на входной происходит по переменной со­ставляющей (автоколебательный сигнал по форме напоминает си­нусоиду напряжения с частотой 5—20 колебаний в секунду). Фи­зическая картина подавления автоколебаний состоит в подаче с выхода на вход усилителя встречного напряжения, которое ’Имеет противоположный по фазе знак. Можно провести аналогию с ко­лебаниями маятника. Чтобы его остановить, надо, как говорят, в противофазе создать встречные колебания.

Из изложенного видно, что обратная связь обеспечивает жест­кие механические характеристики привода, его устойчивость и т. д. Но есть еще одно применение обратной связи — обеспече­ние токоограничения. При пуске, реверсе, торможении, перегруз­ке величина тока в цепи якоря может достигнуть недопустимой величины, превышающей номинальное его значение в 10 и более раз. Пусть" в момент пуска к двигателю прилагается напряжение 110 В, а сопротивление якоря 1—2 Ома. По закону Ома /яцуск == 110/2=55 А, а номинальный ток двигателя равен 5 А, Та­ким образом, пусковой ток превышает номинальныйв 55/5= 11 раз. Это значение тока, несмотря на то, что он длится доли секунды, может вывести из строя коллектор двигателя.

ние (функцию) каждого узла схемы. Примером простейшей струк­турной схемы является схема на рис. 22. Каждый «квадратик» схемы имеет четкие функциональные параметры. Назначение дви­гателя — превращение электрической энергии в механическую, преобразователь превращает переменный ток в постоянный или в переменный с регулируемыми напряжением и частотой, усилитель усиливает сигнал рассогласования и т. д. В любой системе элект­ропривода имеется двигатель, преобразователь, источник зада­ющего напряжения, датчик обратной связи и регулятор. Послед­ний в зависимости от требований к качеству привода имеет раз­личную структуру, а следовательно, и устройство. Регулятор ре­шает следующие задачи: усиливает сигнал рассогласования, фор­мирует закон регулирования, обеспечивает устойчивость частоты вращения, требуемые статические и динамические характеристики, а также защиту от перегрузки. В основе устройства любого регу­лятора лежит ОУ, т. е. усилитель постоянного тока с коэффициен­том усиления по напряжению 10 000—1 000 000, большим входным и малым выходным сопротивлениями. ОУ имеет два входа — пря­мой ( + ) и инверсный (—). Если входной сигнал подан на прямой вход — выходной сигнал знака не меняет, при подаче на инверс­ный вход выходной сигнал имеет обратный знак. ОУ является ре­версивным усилителем — его выходное напряжение может быть положительно или отрицательно в зависимости от знака входно­го напряжения. При использовании ОУ в качестве регулятора на его входе происходит сравнение сигналов задания и фактического значения регулируемой величины.

Широкое применение получили так называемые подчиненные САР. Подчиненность их заключается в том, что выходное напря­жение предыдущего регулятора является задающим для последую­щего регулятора. В системах электропривода применяют однокон­турную САР (рис. 26, а) или двухконтурную с подчиненным регу­лированием частоты вращения и тока (рис.26,б). В одноконтур­ной системе привода (например, в серии ЭТЗИ) сигнал рассогласо­вания, являющийся разностью между задающим сигналом и сиг­налом обратной связи по частоте вращения, усиливается и в та­ком виде подается в блок управления углом зажигания тиристо­ров. Для обеспечения устойчивости усилитель охвачен і? С-цепью.

В двухконтурной системе появляется еще один усилитель с об­ратной связью по току. Теперь схема состоит не из одного, а из двух регуляторов: частоты вращения и тока. При этом выходное напряжение регулятора частоты вращения является задающим на­пряжением для регулятора тока. Благодаря этому мы получаем наряду с регулированием частоты вращения одновременно огра­ничение тока в цепи якоря в требуемых пределах. Оба регулято­ра охвачены і? С-цепями для обеспечения устойчивости и придания переходным процессам желаемой. формы. В качестве датчика то­ка служат либо шунт в цепи тока якоря, либо трансформатор тока.