Современный электропривод - универсальное решение задачи управления

В статье рассмотрены основные характеристики электропривода как средства управления различными типами электродвигателей, применяемых в промышленности. Дается краткий обзор основных производителей электроприводов.

Современная промышленность сегодня не может обойтись без широкого применения электроприводов в различных отраслях. Совершенствование и развитие электроприводов было обусловлено бурным развитием микроэлектроники и полупроводниковой техники в XX веке.

Со временем системы управления электроприводами стали более функциональными, надежными и быстродействующими, что в конце концов привело к созданию особого универсального комплектного электропривода, который может управлять различными типами электродвигателей.

Рассмотрим эти типы.

1. Двигатель постоянного тока, обладающий высокими регулировочными характеристиками и большими реализуемыми моментами на валу. В качестве минусов данного двигателя можно указать сложность конструкции электрической машины и ее низкую надежность в связи с наличием коллекторного узла. Также конструктивной особенностью данной машины является невозможность поддержания момента на нулевой скорости.

2. Асинхронный двигатель. Он обладает более низкими регулировочными характеристиками (без учета более продвинутой электроники), но зато имеет чрезвычайно простую конструкцию и очень высокую надежность вкупе с широчайшим диапазоном реализуемых мощностей. Также следует отметить, что диапазон регулирования и регулировочные характеристики можно существенно улучшить за счет применения цифровой микроэлектроники и продвинутой математики.

3. Синхронный двигатель. В частности, в промышленности широко используются мощные синхронные машины для привода больших вентиляторов или насосов, а для низкого диапазона мощности используются синхронные машины с постоянными магнитами на роторе. Эти машины обладают широким регулировочным диапазоном, стабильной характеристикой и большим моментом на валу, но требуют для управления применения цифровой электроники и мощной математики. В качестве минусов данной машины требуется отметить сложность и невысокую надежность ее конструкции и высокую стоимость.

4. Линейный (прямой) привод предназначен для реализации поступательного движения непосредственно рабочим органом электрической машины. Такая машина применяется в специфичных областях промышленности (печать, управление клапанами, производство микроэлектронных компонентов). Данный тип двигателей сочетает высокую динамику и точность, но имеет небольшой диапазон реализуемых мощностей и сложную конструкцию. Однако стоит отметить, что количество применений прямого привода увеличивается с каждым годом.

Понятно, что такое разнообразие двигателей повлекло за собой и разнообразие систем управления ими (собственно электроприводов), обусловленное прежде всего различными математическими моделями электродвигателей. Развитие микроэлектроники и расширение функциональных возможностей электроприводов привело к созданию универсального электропривода, способного управлять различными типами электродвигателей. Соответственно, для этих задач наиболее подходили машины одного типа – машины переменного тока (асинхронные, синхронные и линейные).

Управление такими машинами реализуется с помощью одной и той же схемы.

Переменное напряжение, поступающее из сети, выпрямляется диодным мостом (звено выпрямителя) и поступает на несколько конденсаторов (звено постоянного тока), откуда в свою очередь через специальные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-транзисторы) поступает на обмотки двигателя (звено инвертора). Чтобы в обмотках тек синусоидальный ток, необходимо с помощью периодического открытия-закрытия соответствующих транзисторов создать в обмотках переменное напряжение, среднее значение которого будет равно синусоидальному напряжению необходимой амплитуды. Это делается с помощью так называемого широто-импульсного модулирования (ШИМ), то есть модулирования импульсов напряжения переменной скважности.

Использование специальной математической модели для реализации ШИМ позволяет реализовывать в каждой из обмоток двигателя необходимое напряжение и ток, что в свою очередь позволят значительно расширить регулировочный диапазон.

Рассмотрим некоторые важные характеристики электроприводов.

Регулировочный диапазон (диапазон регулирования, глубина регулирования) – это специальная величина, характеризующая минимальную частоту вращения вала электродвигателя, на которой не будет наблюдаться пульсаций частоты вращения ротора. Например, если диапазон регулирования 1:1000, это означает, что для двигателя с номинальной частотой вращения 3000 об/мин при настройке контуров управления будет реализована минимальная частота вращения 3 об/мин без пульсаций частоты вращения (без «дрожания» вала по частоте вращения). Также это значит, что при реализованной минимальной частоте вращения будет реализован номинальный момент на валу электродвигателя. Следует также отметить, что достижение еще более низких скоростей также возможно, однако в таком случае на валу двигателя будут наблюдаться пульсации скорости и момента. Еще одним важным положительным фактором цифрового управления является, что при его использовании возможна реализация нулевой частоты вращения с сохранением номинального момента на валу, что немаловажно для большинства современного оборудования.

Номинальная частота вращения, номинальный момент – величины, характеризующие, какова будет частота вращения двигателя (без учета скольжения) и момент на валу при приложении к обмоткам номинального напряжения на номинальной частоте (обычно рассчитывается для напряжения 220/380 В в зависимости от двигателя и частоты 50 Гц).

Пиковый момент, время выдержки момента – величины, характеризующие перегрузочную способность электропривода. Обычно транзисторы звена инвертора выбираются с некоторым запасом по возможности пропускать через себя номинальный ток двигателя. Таким образом, при протекании тока выше номинального (например, 120% от номинального) транзисторы будут сильнее перегреваться без ущерба для себя. Время этого нештатного режима работы регламентируется и контролируется системой управления, что позволяет в короткие моменты получать повышенный момент на валу двигателя без ущерба для всей системы в целом.

Управление – сводная характеристика, позволяющая показать, какими методами можно управлять представленным электроприводом. Чем больше возможностей управления есть у привода, тем более гибкую систему на его основе можно создать.

Поддерживаемые интерфейсы – графа, показывающая, какими сетевыми возможностями обладает представленный электропривод.

Датчик положения – специальное устройство, позволяющее с высокой точностью определять положение вала двигателя с помощью аналогового сигнала или оптических меток. Следует отметить, что работа некоторых типов электроприводов принципиально невозможна без наличия датчика положения.

Разрешение энкодера – величина, характеризующая максимальное количество импульсов, которое возможно записать в регистры привода без сброса счетчика (максимально возможное количество импульсов на оборот вала). Обычно сами датчики положения имеют значительно более низкое число импульсов на оборот, чем разрешающая способность счетчика.

Подключаемые модули – специальные модули привода, возможные для подключения. Зачастую для специальных применений электропривода требуется дополнительная обработка входной и выходной информации, управление дополнительными устройствами или синхронизация с другими устройствами. В зависимости от необходимого применения выбирается специальный модуль, который выполнит требуемые действия (например, интерполяцию нескольких осей).

Класс защиты – степень защищенности электропривода от внешних воздействий (пылевых и водных). Рост цифр характеризует рост защищенности.

Рабочий диапазон температур – диапазон допустимых при работе электропривода и электродвигателя температур внешней среды.

В качестве вывода необходимо отметить, что современные электроприводы обладают дружественным интерфейсом пользователя, легко понятным и простым алгоритмом настройки параметров, легкостью в использовании, что при возможности подключения к одному приводу различных типов двигателя позволяет использовать эти устройства для построения различного рода систем с максимальной гибкостью и результативностью и минимальными затратами.

Все это относится к любому из представленных сегодня на рынке электроприводов – таких как Danfoss, Control Techniques, Schneider Electric (Altivar), Siemens и Omron-Yaskawa. Следует отметить, что представленные электроприводы можно условно разделить на две группы – более дорогие с большей функциональностью и более дешевые с меньшим количеством функций. Как правило, основные производители стараются производить электроприводы и в той, и в другой условной группе.

К первым можно смело отнести векторные привода Siemens, Omron-Yaskawa и некоторые модели Control Techniques и Danfoss. Данные приводы обладают широким спектром применения (включая специальные), различными возможностями управления (как вольт-частотного, так и векторного управления), приемлемой достаточно высокой надежностью и рядом специальных опций. Минусом в данном случае является достаточно высокая цена.

Во второй группе традиционно находятся электроприводы, предназначенные только для вольт-частотного управления (управление насосами, вентиляторами, аэраторами и пр.), которые обладают пониженной функциональностью (меньшим количеством прикладных функций) и меньшей надежностью. Такие электроприводы выпускаются практически всеми производителями, включая приведенных в данной статье, и обладают значительно более низкой ценой по отношению к векторным.

Особняком стоят специальные электроприводы, предназначенные для управления прецизионными синхронными электродвигателями с постоянными магнитами на роторе, так называемые сервоприводы. Цена на них резко отличается в большую сторону по сравнению с обозначенными ранее электроприводами, но в то же время сервоприводы обладают повышенной точностью регулирования как положения вала, так и частоты его вращения. Представлены эти устройства известными производителями, такими как Control Techniques, Siemens, Omron-Yaskawa.

Такое широкое разнообразие устройств порождает большое количество сервисных партнеров компаний-производителей, которые занимаются обслуживанием установленных и вышедших из строя электроприводов. Следует отметить, что большинство компаний занимается сервисной поддержкой только одного из производителей, что обусловлено недостатком на рынке труда квалифицированных специалистов.

Александр Горбунов,
инженер отдела развития продукции
НПФ "РАКУРС"