Многофазный асинхронный электропривод для сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Игнатенко, Сергей Владимирович

• Игнатенко, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Игнатенко, Сергей Владимирович

Введение

Глава 1. Основные подхода к разработке ЭП для сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов

1.1. Анализ основных технологических требований к исполнительному ЭП со стороны сварочных механизмов

1.2. Обоснование применения в сварочных полуавтоматах, автоматах и роботах асинхронного ЭП при подходе к числу его фаз как параметру оптимизации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многофазный асинхронный электропривод для сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов»

Современное промышленное производство характеризуется высокой производительностью труда, а также массовым применением сложного автоматизированного оборудования, роботов и робото-технических комплексов (РТК), неотъемлемой составной частью которых является электропривод (ЭП). Не является исключением и сварочное производство: сварка - ведущий технологический процесс при производстве металлических конструкций, с ее помощью перерабатывается примерно 70% готового проката. Обеспечение требуемого качества сварных конструкций и их эксплуатационной надежности, повышение производительности труда при улучшении условий работы людей требуют комплексной механизации и автоматизации на всех этапах изготовления сварной конструкции. В сварочном производстве, как и во многих других отраслях промышленности, многое сделано в указанном направлении. Большинство собственно технологических операций сварки автоматизировано полностью, постепенно автоматизируются и вспомогательные операции. При этом актуальной становится задача создания ЭП для сварочного оборудования с наиболее высокими технико-экономическими показателями.

До последнего времени можно отметить преимущественное применение в сварочных полуавтоматах, автоматах и роботах ЭП на базе двигателей постоянного тока (ДПТ) /1,2,3,4,5/, что связано с относительной простотой управления ими и достигаемыми при этом достаточно высокими качественными показателями. Однако ряд особенностей сварочного производства, в первую очередь неблагоприятные условия работы, низкие величины питающих напряжений и их значительные колебания, повышенные требования к массе и габаритам ЭП, высокий уровень электромагнитных излучений и другие, вызывают необходимость применения ЭП с более высокими техническими, массогабаритными и стоимостными характеристиками. Одним из наиболее перспективных направлений в этой области является создание ЭП на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутьм ротором (АД) , который по сравнению с ДПТ обладает более высоким уровнем надежности, лучшими массогабарит-ными показателями, меньшей стоимостью и рядом других преимуществ /6,7,8,9/, что делает его использование в качестве основы исполнительного ЭП для сварочного оборудования весьма привлекательным .

В то же время, ориентация на использование в асинхронном ЭП наиболее распространенных 3-фазных ДЦ существенно ограничивает гибкость проектирования и затрудняет создание ЭП с улучшенными технико-экономическими показателями. Одним из вариантов решения этой задачи является построение электромеханической системы на базе ДЦ при подходе к числу его фаз как вариативному параметру, оптимизируемому в функции предъявляемых к ЭП технико-экономических требований. Использование многофазного ДЦ (здесь и далее под многофазным понимается ДЦ с числом фаз, большим трех) в условиях сварочного производства позволяет увеличить надежность, улучшить массогабаритные показатели, повысить динамические характеристики, оптимизировать стоимость и достичь улучшения еще целого ряда эксплуатационных характеристик ЭП /10,11,12,13,14,15/ и, следовательно, сварочного оборудования в целом.

Однако увеличение числа вариантов построения ЭП, связанное с возможностью выбора оптимального числа его фаз, усложняет процесс проектирования и принятия конкретных технических решений. Изменение числа фаз двигателя приводит к изменениям большей части технико-экономических показателей, так как затрагивает изменение конструкции, структуры и принципов функционирования многих составных элементов ЭП. Поэтому создание многофазного асинхронного ЭП с высокими показателями требует разработки инженерных методик, обеспечивающих выбор числа его фаз, в наибольшей степени отвечающего предъявляемым к электромеханической системе требованиям» Это обусловливает необходимость разработки частных алгоритмов оптимизации параметров многофазного ЭП в функции числа фаз, а также алгоритма оптимизации показателей ЭП в целом. Вместе с тем, в существующих работах зависимости указанных параметров, как правило, имеют качественный характер, что не позволяет с достаточной степенью точности использовать их для проведения инженерной оценки технико-экономических показателей ЭП. Зачастую отсутствует и необходимое для проведения таких расчетов математическое описание.

Многообразие способов сварки и, соответственно, видов сварочных установок обусловливает разнообразие требований, предъявляемых к ЭП со стороны технологического оборудования. Столь же разнообразны могут быть и инженерные решения в плане принципов функционирования систем управления ЭП и, следовательно, обеспечиваемые ими качественные показатели. Между тем, сварочное оборудование обладает рядом специфических особенностей в части характеристик силового источника питания и требуемого качества регулирования технологических переменных. Характерные особенности привносит и сам принцип вариативности числа фаз АД. Поэтому актуальной является задача разработки системы управления многофазным асинхронным ЭП для сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов, которая, во-первых, обеспечивала бы учет специфики работы оборудования и, во-вторых, давала бы возможность наиболее эффективного достижения заданных статических и динамических показателей.

Цель диссертации - разработка и исследование многофазного асинхронного ЭП для сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов .

Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:

1. Обоснование перспективности построения ЭП для сварочного оборудования на базе ДЦ при подходе к числу его фаз как параметру оптимизации технико-экономических характеристик ЭП.

2. Разработка математического описания для исследования и оптимизации характеристик многофазного ЭП и его функциональных элементов.

3 о Исследование изменений показателей ЭП при подходе к числу его фаз как вариативному параметру.

4. Разработка алгоритмов для расчета и оптимизации частных параметров ЭП, а также структуры алгоритма комплексной оптимизации его показателей.

5. Разработка принципов построения многофазного ЭП для сварочного оборудования, учитывающих специфику его работы.

6. Создание системы управления многофазным асинхронным ЭП на основе предложенных принципов.

7. Исследования регулировочных характеристик разработанного ЭП.

Научная новизна рабочы:

1. Получено математическое описание для расчета электромагнитных процессов, протекающих в системе "выпрямитель фильтр - автономный инвертор (Ж)", с учетом реальных форм выпрямленного напряжения и потребляемого Ж тока.

2. Разработано математическое описание для анализа несимметрии, возникающей с системе питающих ДЦ напряжений вследствие различного падения напряжения на открытых силовых ключах.

3. Получены соотношения для расчета изменения диапазона регулирования скорости ЭП в функции числа фаз в зависимости от допустимого уровня ее пульсаций.

4. Разработано математическое описание для анализа магнитного поля в зазоре т-фазного ДЦ и его виброшумовых характеристик с использованием данных модельных экспериментов.

5. Представлены результаты исследований характеристик многофазных АД и ЭП на их основе, а. также оптимизации их параметров, полученные на основе разработанных математических моделей и предложенных алгоритмов.

6. Сформулированы принципы построения многофазного асинхронного ЭП для сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов.

Пракамческая значимость работы:

Разработанное математическое описание для расчета электромагнитных процессов, протекающих в системе "выпрямитель фильтр - АИ", позволяет проводить выбор емкости конденсатора и индуктивности дросселя силового фильтра в звене постоянного тока (ЗПТ) по заданному уровню пульсаций напряжения в нем, а также осуществлять оптимизацию показателей фильтра.

Полученные выражения для анализа несимметрии, возникающей с системе питающих ДД напряжений, дают возможность предварительной оценки при проектировании ЭП величины пульсаций электромагнитного момента, обусловленных несимметрией.

Предложенные соотношения для расчета изменения диапазона регулирования скорости ЭП позволяют проводить выбор числа фаз двигателя, обеспечивающего достижение требуемого диапазона изменения скорости при заданном уровне ее пульсаций.

Разработанное математическое описание для анализа магнитного поля в зазоре АД дает возможность проводить оценку его виброшумовых показателей при различном числе фаз, а также обеспечивать выбор его значения и способа выполнения обмотки ДЦ для достижения оптимальных виброшумовых характеристик двигателя .

Полученные при расчете и оптимизации параметров многофазного асинхронного ЭП результаты позволяют осуществлять выбор числа фаз электромеханической системы, обеспечивающего как оптимальное значение выбранного параметра, так и наилучшее их соотношение.

Сформулированные принципы построения многофазного асинхронного ЭП для сварочного оборудования позволяют реализовать систему управления, обеспечивающую требуемые качественные показатели ЭП с учетом специфических условий его работы.

Исследования разработанного ЭП показали на его высокие характеристики, в том числе при учете специфических условий его работы в составе сварочного оборудования. На зашуту выносятся:

1. Математические модели для исследования характеристик и оптимизации параметров многофазных ЭП.

2. Результаты исследования и оптимизации характеристик ЭП, полученные с использованием разработанных математических описаний.

3. Принципы построения многофазного асинхронного ЭП для сварочного оборудования.

Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты докладывались на научном семинаре по теоретической электротехнике, 1995 г., международной научно-технической конференции "VIII Бенардосовские чтения", 1997 г., 2-ой международной научно-технической конференции по электромеханике и электротехнологиям, 1-5 октября 1996 г, Крьм, 3-ей международной научно-технической конференции по электромеханике и электротехнологиям, 14-18 сентября 1998 г, Россия, Клязьма.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 9 работ, получен патент Российской Федерации.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 147 страниц основного машинописного текста, приложения на 20 страницах, 165 рисунка и таблицы на 68 страницах, и перечень использованной литературы из 119 наименований.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Игнатенко, Сергей Владимирович

Результаты исследования 9-фазного ЭП (13=100:1) с регулятором напряжения при отклонениях напряжения питания на 30%

О., с

1 2 0

15 10 5

0 1 ^ 0,0 0, о 1 0, 2 0, 3 0, 4 0, 5 0, 6 0, 7 0, 8 0 9 1 0

М, Нм 4 0 - Л у

V

N

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

1я,А 10

-А с

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

Рис. 4.10. с о с с практической сложностью регистрации ряда электромагнитных переменных на физической установке, ориентироваться на модельный эксперимент. Оценка полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что все системы способны компенсировать снижение напряжения питания ЭП. Вместе с тем, при номинальной скорости вращения система без обратных связей характеризуется значительными и резкими изменениями тока статора и момента. Это может привести к повреждению как силовых ключей, так и механических элементов ЭП и рабочей машины. При контролировании напряжения на фазах ДЦ (рис. 4.7) пульсации момента и тока значительно снижаются, а при измерении напряжения в ЗПТ исчезают полностью. Необходимо отметить, что во всех случаях скорость АД не претерпевает заметных изменений. В диапазоне регулирования скорости 100:1 изменения напряжения питания не оказывают существенного влияния на качество регулирования как в ЭП без обратных связей по напряжению, так и с ними, что объясняется небольшой величиной фазного напряжения при малой величине скорости вращения (см. рис. 4.9, 4.10). Таким образом, при выборе того или иного способа компенсации колебаний напряжения питания определяющими являются требования ограничения ударных токовых и механических нагрузок, если к ЭП не предъявляется особых требований к качеству электромагнитного момента. Лучшими характеристиками обладают системы с обратной связью по напряжению в ЗПТ и на фазах ДЦ. ЭП без обратных связей по напряжению может найти применение при некритичности к токовым и механическим перегрузкам, а также в случаях, когда колебания напряжения относительно невелики (например, при жесткой внешней характеристике источника питания дуги или отдельном питании ЭП), либо оно изменяется достаточно медленно для того, чтобы регулятор тока (момента) успел эти изменения компенсировать (например, при наличии энергоемкого фильтра на входе автономного инвертора).

Следствием питания ЭП непосредственно от источника питания дуги, сварочного трансформатора или другого источника энергии со значительными колебания напряжения становиться завышение номинального рабочего напряжения (класса) ключей и, следовательно, установленной мощности ПЧ, которое может достигать 2-4-3 кратного. Отмеченное существенно ухудшает экономические показатели ЭП и сварочного оборудования в целом. Вместе с тем, этого можно избежать введением в ЗПТ импульсного регулятора /43,98,107,108,109/ (при питании от источника питания дуги, от аккумулятора или генератора) или путем использования управляемого выпрямителя (при питании от сварочного трансформатора или маломощной сети). При этом осуществляется стабилизация напряжения на входе Ж на уровне, соответствующем минимально допустимому напряжению (рис. 4.11). В этом случае СУЭП обеспечивает регулирование напряжения на фазах ДЦ путем изменения сигнала задания ПМР, и обратные связи по напряжению могут не применяться, что является преимуществом данного решения . Недостатком является необходимость двойного регулирования: стабилизация напряжения в ЗПТ и регулирование напряжения на фазах с помощью ШИР. Однако отсутствие необходимости в формировании напряжения на фазах многофазного ДЦ по специальным, в частности синусоидальному, законам позволяет отказаться от его регулирования в Ж (ШИМ или ШИР) и перенести эти функции в ЗПТ, например, путем применения импульсного регулятора или управляемого выпрямителя (рис. 4.12). Следует отметить, что, в силу снижения энергоемкости фильтра с ростом числа фаз (см. п. 3.1), указанный способ регулирования напряжения по сравнению с 3-фазным ДЦ связан с существенно меньшим ухудшением динамических свойств ЭП. При этом снижаются потери на переключение силовых ключей и, следовательно, облегчается их тепловой режим; кроме того, несколько упрощается система управления ПЧ за счет устранения канала управления ШИР. К недостаткам можно отнести

Применение стабилизаторов напряжения в ЗПТ

Рис. 4.11.

Применение регуляторов напряжения в ЗПТ

Рис. 4.12.

Направления энергетических потоков при питании ЭП от ИП дуги в режимах потребления и генерации энергии двигателем необходимость (в некоторых случаях) введения обратных связей по напряжению, а также снижение коэффициента мощности выпрямителя при глубоком регулировании. Как видно, оба варианта обладают определенными преимуществами и недостатками, поэтому выбор какого-либо из них должен проводиться с учетом особенностей конкретного сварочного оборудования.

Использование для регулирования или стабилизации напряжения в ЗПТ импульсного регулятора или управляемого выпрямителя обусловливает дополнительное увеличение энергоемкости фильтра на входе Ж для сглаживания пульсаций напряжения. Его массога-баритные и энергетические показатели могут быть оптимизированы с помощью соответствующего алгоритма (см. п. 3.1). При этом для оценки переменной составляющей напряжения в ЗПТ за основу при расчете следует принимать наихудший режим работы выпрямителя или импульсного регулятора, когда среднее значение напряжения минимально и на фоне этого резко возрастает относительная амплитуда его переменной составляющей, что особенно ярко выражено при больших углах управления выпрямителем. То же относится и к случаю питания ЭП непосредственно от источника питания дуги {без регулятора напряжения), поскольку при регулировании напряжения или тока дуги посредством применения сварочного выпрямителя напряжение на выходе последнего имеет достаточно большую переменную составляющую и требует использования на входе Ж фильтра.

Еще один вопрос, который требует своего рассмотрения при анализе различных вариантов питания ЭП - это проблема отвода энергии от АИ при торможении ДЦ. Как известно, для этого существуют следующие традиционные способы /43,110/: рекуперация энергии в сеть, сброс ее (при относительно небольшой мощности ЭП) на конденсатор фильтра и рассеивание на балластном резисторе. Первый способ требует использования дополнительного инвертора (при питании от сети переменного тока), что увеличивает сложность и стоимость ЭП, а если учесть, что основная масса приводов в сварочном оборудовании имеет относительно небольшие мощности (см. п. 1.1), то данный способ можно считать нерациональным. Кроме того, сварочный выпрямитель выполняется нереверсивным, поэтому при питании ЭП непосредственно от него возврат энергии торможения в сеть невозможен. Возможность сброса энергии торможения, а также его интенсивность, на конденсатор фильтра ограничены емкостью последнего. Поэтому такой способ приемлем только при допустимости сильных колебаний напряжения в ЗПТ и достаточно большой энергоемкости фильтра, следствием чего становится ухудшение его массогабаритных, энергетических и стоимостных показателей.

Вместе с тем, если проанализировать характер энергопотребления при процессе сварки, можно сделать вывод, что вся энергия торможения ЭП при питании его непосредственно от источника питания дуги (выпрямитель, генератор, аккумулятор) может быть потреблена технологическим процессом, поскольку его мощность является доминирующей. Энергетические потоки, которыми характеризуется данный случай, представлены на рис. 4.13. Отвод энергии к дуге невозможен только в случае прекращения процесса сварки. В этом случае необходим другой способ утилизации энергии торможения, например, ее рассеивание на балластном резисторе. Однако, поскольку такие торможения могут производиться относительно нечасто, а часть энергии в общем случае может быть запасена конденсатором фильтра (т.к. при горящей дуге напряжение в ЗПТ намного ниже максимально допустимого), использование дополнительного элемента - балластного резистора - нерационально. В этих случаях для утилизации генерируемой энергии может быть применено комбинированное торможение многофазным АД /78,111,112/, результаты исследования вариантов которого, полученные при непосредственном участии автора, приведены в /12/. Этот способ позволяет эффективно ограничивать максимальное напряжение в ЗПТ и отказаться от применения инвертора или балластного резистора, а также от увеличения емкости конденсатора фильтра.

При применении стабилизаторов или регуляторов напряжения в ЗПТ (рис. 4.11, 4.12), а также при питании ЭП от отдельного источника отвод энергии торможения к горящей дуге затруднителен, поэтому ее утилизация должна обеспечиваться другими способами (рекуперация, рассеивание на балластном резисторе). В случаях, когда торможения происходят относительно редко или часть энергии может принять конденсатор фильтра (при достаточно больших колебаниях напряжения), также может быть использовано комбинированное торможение.

Другим важным требованием, предъявляемым сварочным оборудованием к исполнительному ЭП, является обеспечение его высокой надежности, т.е. возможность сохранять работоспособность в неблагоприятных условиях работы, чем характеризуется сварочное производство. Повышенная надежность ЭП может быть обеспечена как применением более надежных элементов, так и выбором его соответствующей структуры. ЭП на базе ДЦ в силу его конструктивных особенностей уже обладает лучшей надежностью по сравнению с наиболее часто используемым в настоящее время в сварочном оборудовании ЭП на базе ЦПТ (см. п. 1.1, 1.2). Еще более существенное повышение надежности становится возможным благодаря применению многофазного варианта исполнения ДЦ. Как было показано в п. 3.3, ЭП на базе последнего может принципиально сохранять свою работоспособность в аномальных режимах (обрыв фазы или выход из строя силового ключа, межвитковое замыкание, короткое замыкание на полюс силового источника питания). При этом надежность ЭП в целом определяется практически только уровнем надежности элементов, инвариантных к числу фаз двигателя. Однако на практике использование подобных режимов работы ЭП в первую очередь связано с выполнением ряда требований, предъявляемых к нему со стороны технологического оборудования. Таким образом, для сохранения работоспособности ЭП в аномальных ситуациях его система управления должна обеспечивать реализацию следующих функций:

1. Формирование электромагнитных переменных ДД при обеспечении допустимого снижения качества регулирования в статических и динамических режимах работы.

2. Ограничение фазных токов двигателя на допустимом уровне и контроль теплового состояния ДД для предотвращения прогрессирующего выхода из строя элементов ЭП.

Исследования аномальных режимов работы, результаты которых приведены в п. 3.3, свидетельствуют о появлении в них значительных пульсаций электромагнитного момента ДД. В тех случаях, когда подобное снижение качества формирования момента недопустимо, СУЭП должна обеспечивать уменьшение последствий возникновения несимметрии в системе питающих ДД напряжений. Это может обеСхпечиваться следующими мерами:

1. Блокировкой включения силовых ключей, относящихся к поврежденным фазам для предотвращения выхода их из строя, а также уменьшения возникающей несимметрии или изменения ее характера (например, при обрыве в одном ключе и работающем другом возникает режим генераторно-динамического торможения /12,78/, а его блокировка эквивалентна режиму обрыва фазы; при этом, как показывают результаты моделирования, пульсации момента снижаются в 2-^2.5 раза, а максимальная амплитуда фазного тока - в 1.5-Т-2 раза) .

2. Блокировкой включения силовых ключей в ряде фаз ДД с целью уменьшения несимметрии. Как отмечалось в п. 3.3, пульсации момента двигателя возрастают при увеличении пространственной неравномерности распределения поврежденных фаз. Путем искусственного отключения соответствующих ключей (например, группы фаз в ДД с расщепленной обмоткой (рис. 4.14)) можно

Реализация блокировок включения силовых ключей в ЭП с т-фазньм ДД с расщепленной обмоткой при выходе из строя одного из них защита защиту блокировка

Рис. 4.14.

Система ЭП с диагностикой аномального состояния и изменением настроек регуляторов с использованием статистических данных об изменениях фазных токов ДД и изменение настроек база данных

Рис. 4.15,

Система ЭП с диагностикой аномального состояния и изменением настроек регуляторов с использованием данных о реальных значениях фазных токов ДД уменьшить пространственную неравномерность и, соответственно, повысить качество регулирования в аномальных режимах работы. Результаты исследований, подтверждающих эффективность указанного подхода, приведены в табл. 3.7. Однако связанное с этим способом дополнительное снижение перегрузочной способности ЭП /70/, вследствие ослабления потока в машине, накладывает определенные ограничения на его применимость.

3. Применением соответствующих настроек регуляторов, обеспечивающих требуемое качество регулирования. СУЭП, во-первых, должна ограничивать в допустимых пределах пульсации момента в требуемом диапазоне регулирования скорости; во-вторых, изменения настроек регуляторов не должны ухудшать устойчивость системы и качество управления. В системах с повышенными требованиями к качеству формирования электромагнитного момента может быть целесообразно применение соответствующих обратных связей, обеспечивающих, в частности, прямое управление моментом, поскольку в несимметричных режимах работы стабилизация других переменных состояния ДД (например, модуля тока статора и скольжения) не гарантирует постоянства момента двигателя (см. п. 3.3). Изменения настроек регуляторов должны затрагивать и изменение в аномальных режимах такого параметра ДД, как скольжение (см. рис. 3.43) : несоблюдение этого условия может привести к выходу последнего за пределы критического и, соответственно, сделать работу ЭП в ряде случаев невозможной.

Возникающая несимметрия в системе фазных токов многофазного ДЦ в аномальных режимах работы должна соответствующим образом учитываться СУЭП. Она должна ограничивать перегрузочную способность двигателя по току таким образом, чтобы ток в наиболее нагруженных фазах не превышал допустимого значения. Это ограничение может осуществляться следующими способами:

1. Диагностированием аномального режима ДЦ и последующим снижением токов по информации об их соответствующих увеличениях в данном режиме работы и при данных сочетаниях поврежденных фаз. Такой метод позволяет эффективно ограничивать токовую нагрузку на силовые ключи и фазы ДЦ, однако требует развитой логики диагностики состояния двигателя, а также большого объема предопределенной (на основе статистических данных) информации о значениях фазных токов во всех режимах работы для всех сочетаний поврежденных фаз при различных скоростях вращения и нагрузках. Кроме того, определенные сложности обусловлены использованием многофазных ДЦ, разработанных на базе различных типов двигателей. Функциональная схема СУЭП, реализующая указанные функции, представлена на рис. 4.15.

2. Непосредственным использованием информации о реальном значении тока двигателя. Поскольку используемое в качестве сигнала обратной связи по току ДЦ значение модуля обобщенного вектора тока статора не обладает достаточной полнотой информации о величинах фазных токов двигателя в аномальных режимах его работы, для эффективного ограничения токовой нагрузки ключей необходима информация о мгновенных значениях тока в каждой фазе ДЦ. Подобная СУЭП с измерением и анализом реальных значений токов в фазах многофазного ДЦ изображена на рис. 4.16. Данный способ, по сравнению с вышеописанным, не требует сложного алгоритма определения вида аномального режима и поиска поврежденных фаз, а также использования информации об изменении токов в фазах ДЦ. Существенно упрощается и использование различных типов ДЦ. При этом, однако, значительно увеличивается объем вводимой в СУЭП информации, причем ее эффективная обработка возможна только с применением микропроцессорных средств. Кроме того, получение информации о максимальном значении фазного тока осуществляется дважды за период питающего напряжения, а в промежутке времени между измерениями присутствует неопределенность, что ограничивает динамические свойства системы ЭП, особенно в диапазоне малых скоростей вращения.

Наиболее эффективная реализация ограничения фазных токов многофазного АД в аномальных режимах работы может быть связана с комбинированным применением обоих способов: в этом случае достоверность и универсальность второго сочетается с эффективностью первого, причем потребность в сложном алгоритме диагностики и большом количестве информации об изменениях фазных токов отпадает.

Как следует из результатов исследования аномальных режимов работы многофазного ЭП, все они сопровождаются снижением максимального момента АД, что обусловлено ослаблением магнитного поля машины. Его ослабление может быть частично или полностью компенсировано соответствующим увеличением (в допустимых пределах) тока двигателя, что вызывает существенное увеличение тепловой нагрузки как на собственно АД, так и на силовые элементы ПЧ. Следовательно, для предотвращения их повреждения необходим контроль теплового состояния двигателя и ПЧ.

Увеличение тепловых потерь в двигателе и ПЧ в несимметричных режимах работы усугубляется неблагоприятными условиями окружающей среды - сварочное производство характеризуется повышенной температурой, особенно вблизи зоны сварки. Это делает актуальной задачу облегчения температурного режима работы элементов ЭП, особенно ПЧ, поскольку тепловая нагрузка на двигатель может быть облегчена либо благодаря более эффективному охлаждению, что часто затруднительно, либо путем недоиспользования АД по мощности (снижение нагрузки или завышение установленной мощности), что ведет к дополнительным затратам. ПЧ в этом смысле отличается большей гибкостью. В п. 3.3 отмечалось, что при использовании многофазного варианта построения ЭП возможно снижение несущей частоты ШИР /72/, что позволяет уменьшить динамические потери на переключение силовых ключей и, следовательно, понизить рассеиваемую на них мощность. Крайним случаем такого подхода является перенос функций регулирования напряжения в управляемый выпрямитель, что обусловлено отсутствием необходимости в формировании фазных напряжений по специальным, в частности синусоидальному, законам. Как будет показано далее, такой подход весьма эффективен в многофазном асинхронном ЭП сварочного оборудования.

В сварочном оборудовании, как правило, требуется регулирование нескольких технологических параметров /2,3,23/ (например, напряжение и ток дуги, длина дуги, ширина шва, глубина провара и т.д.), причем их регулирование зачастую должно осуществляться согласованно. Это требует при проектировании ЭП сварочного оборудования решения следующих задач:

1. Выбор структуры СУЭП и настройка ее регуляторов таким образом, чтобы заданные качественные показатели обеспечивались во всем диапазоне изменения не только основного (регулируемого) параметра, но и других, поскольку вариации одного из них соответствующим образом отражаются на остальных. Это влияние может оказываться не только путем прямого воздействия (например, увеличение скорости подачи проволоки вызывает рост тока дуги), но и косвенно: практически все передаточные функции, описывающие технологический процесс сварки, нелинейны /23/.

2. Обеспечение связей между автономными блоками регулирования технологических параметров для более эффективного управления. Это особенно важно в случаях, когда требуется не просто согласованное изменение тех или иных параметров, а устройства регулирования дополнительно оказывают воздействие друг на друга по другим каналам (например, по цепи силового источника питания сварочной установки).

Эти задачи могут быть решены, во-первых, путем комплексного проектирования всех элементов сварочной установки, вплоть до интеграции нескольких устройств регулирования в одном (например, совмещение регулятора напряжения на дуге с использованием управляемого выпрямителя и ЭП подачи электродной проволоки в качестве регулятора тока). В этом случае могут согласовываться и прочие (нетехнологические) параметры этих устройств (например, в части требований к источнику питания). Во-вторых, может обеспечиваться подключение ЭП к информационно-управляющей системе верхнего уровня. Это позволит СУЭП получать информацию об изменениях различных режимных параметров и в V I) проводить как изменение "своей" регулируемой величины, так и перестройку собственной структуры (в необходимых случаях).

Таким образом, в качестве основных принципов построения многофазного асинхронного ЭП для сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов можно выделить следующие:

1. Применение обратных связей по напряжению либо в ЗПТ, либо на фазах ДЦ, реализующих его регулирование при значительных колебаниях напряжения питания или с целью снижения несимметрии в системе фазных напряжений в случае низковольтного варианта исполнения ЭП.

2. При относительно невысоких требованиях к качеству управления и диапазону регулирования скорости (устройства подачи электродной проволоки, механизмы перемещения тележек и т.д.) СУЭП может строиться разомкнутой с реализацией заданного закона частотного управления и(£). При этом увеличение числа фаз ДД повышает перегрузочную способность и жесткость механических характеристик.

3. Использование обратной связи по току ДЦ или входному току АИ, обеспечивающей необходимый контроль за потребляемой от источника питания мощностью и выбранный принцип управления многофазным ДЦ.

4. Реализация функций компенсации несимметрии по питанию в аномальных режимах, обеспечивающих повышение надежностных показателей ЭП.

5. С целью упрощения реализации многофазного ЭП в условиях снижения актуальности прямого формирования потокосцепления целесообразно построение электромеханической системы с ориентацией управления на обобщенный вектор тока статора при параметрическом задании скольжения, обеспечивающее инвариантность СУЭП к числу фаз ДЦ и косвенное регулирование потока. При повышении требований к характеристикам ЭП необходимо прямое формирование электромагнитного момента, обусловливающее в совокупности с непосредственным регулированием модуля тока статора и абсолютного скольжения преемственность данного способа с частотно-токовьм и реализацию векторного принципа управления многофазным ДД .

6. Для улучшения массогабаритных характеристик силовой части ЭП целесообразно использование режимов комбинированного торможения многофазных ДД.

4.2. Разработка системы управления многофазным ДЦ для сварочных автоматов, полуавтоматов и роботов

Как было отмечено в п.4.1, при создании многофазного асинхронного ЭП для сварочного оборудования должна осуществляться реализация ряда принципов его построения, обеспечивающих как достижение требуемых статических и динамических показателей, так и учет специфических условий работы оборудования /38/. Среди этих принципов можно выделить наиболее существенные -это использование обратных связей по напряжению на фазах ДЦ или на входе АИ, току статора и моменту двигателя (при повышенных требованиях к характеристикам ЭП, что обычно и выдвигают сварочные автоматы, полуавтоматы и роботы). Кроме этого, в п. 4.1 указывается на целесообразность построения многофазного ЭП на базе векторной системы, ориентированной на обобщенный вектор тока статора. На основании вышеизложенного была разработана структура системы управления многофазным ДД, реализующая методы подчиненного регулирования указанных переменных /94,95/ (напряжение, ток статора, момент) и скорости вращения и построенная на принципах векторного управления с ориентацией на обобщенный вектор тока статора 13 . Данная СУЭП защищена патентом Российской Федерации /113/.

Рассмотрим структурную схему многофазного ДЦ как объекта управления в ортогональной системе координат и-У, связанной с вектором тока статора 13, которая приведена на рис. 4.17 для у-ой пространственной гармоники поля /11,15,53/. В данной структуре, несмотря на ее сложность вследствие наличия перекрестных связей, можно выделить два канала: канал тока статора и канал электромагнитного момента - частоты вращения системы координат, связанной с вектором тока статора. Как видно, эти переменные определяются (при пренебрежении внутренними обратными связями) соответствующими проекциями вектора напряжения статора, что при воздействии на них позволяет при указанном ограничении автономно формировать требуемые законы изменения как модуля тока статора и его пространственного положения, так и величины электромагнитного момента. В такой системе координат электромагнитный момент ДЦ, определяемый у-ой пространственной гармоникой поля, является функцией двух электромагнитных параметров - модуля вектора тока статора и проекции вектора потокосцепления ротора на ось, перпендикулярную вектору тока (см. соотношение 4.2). Таким образом, формируя по определенным законам указанные переменные, можно обеспечить требуемый характер изменения момента и, следовательно, скорости ДЦ. Вместе с тем, в СУЭП, ориентированной на вектор ток статора, в отличие от векторной системы, связанной с вектором потокосцепления ротора, не производится непосредственного измерения и, соответственно, регулирования его амплитуды и пространственно

Структурная схема ДЦ в системе координат, связанной с вектором тока статора 13 из (V) и со Л

Рис. 4.17 го положения. Это делает возможным лишь косвенное регулирование величины потокосцепления ротора, что по причине сложной нелинейной структуры АД затрудняет однозначное формирование электромагнитного состояния многофазной машины. Подобное имеет место и в более простых частотно-токовых системах, которые обеспечивают стабилизацию величины потокосцепления в статических режимах, однако не позволяют делать этого в динамических /47,93,110/.

Из уравнений, соответствующих модели АД на рис. 4.17, вытекают следующие зависимости для проекций вектора потокосцепления ротора: Т г(у)и = ~ ~ (1в(у)КгКг(у) + УгМуР)' (4.3)

ТГ(У)Б + 1 = (4-4) где \[/Г(у)и ~ проекция вектора потокосцепления ротора, приведенного к у-ой гармонической поля, на ось вектора тока статора, р - скольжение ротора относительно вектора тока статора.

Анализ соотношений (4.2), (4.3) и (4.4) показывает, что заданный закон изменения модуля вектора тока статора и электромагнитного момента не гарантирует однозначного характера изменения составляющих вектора потокосцепления ротора , поскольку последние зависят также и от величины абсолютного скольжения. Такая неоднозначность затрудняет формирование требуемых законов изменения электромагнитных переменных АД и, таким образом, ухудшает его управляемость. На практике, как показали результаты моделирования на ЭВМ, это приводит к неуправляемому снижению величины абсолютного скольжения и одновременному значительному росту составляющей уу^ потокосцепления ротора. Результатом этого становится общее усиление магнитного поля машины, приводящее к насыщению ее магнитной системы и, как следствие, росту потерь в двигателе.

Для устранения указанного недостатка необходимо введение дополнительной контролируемой переменной, которая позволила бы однозначно определить электромагнитное состояние ДЦ. При построении векторной системы с ориентацией на вектор тока статора в качестве такой переменной целесообразно использовать величину абсолютного скольжения р. Как следует из анализа соотношений (4.2), (4.3) и (4.4), формирование величины скольжения, электромагнитного момента и тока статора принципиально позволяет однозначно идентифицировать как проекцию вектора по-токосцепления на ось, ортогональную вектору тока, так и проекцию на ось, совпадающую с ним и, соответственно, определить требуемый закон изменения электромагнитного состояния многофазного ДЦ.

Разработанная система управления многофазным асинхронным ДЦ с ориентацией на обобщенный вектор тока статора, функциональная схема которой изображена на рис. 4.18, реализует вышеуказанные принципы построения: она имеет контуры регулирования тока статора, электромагнитного момента, проекций напряжения статора, а также осуществляет формирование величины абсолютного скольжения р.

Система включает в себя два явно выраженных канала регулирования - канал формирования величины модуля обобщенного вектора тока статора и канал управления электромагнитным моментом - скоростью, синтезированных по принципам подчиненного управления. Входным сигналом регулятора тока РТ служит управляющий параметр, получаемый в вычислителе тока ВТ в функции заданной величины момента ДЦ. Управление током статора производится, согласно структуре ДЦ на рис. 4.17, путем воздействия на проекцию вектора напряжения на ось и, связанную с обобщенным вектором тока статора. Введение в структуру СУЭП замкнутых конту

Функциональная схема системы управления ЭП с ориентацией на обобщенный вектор тока статора ров регулирования составляющих вектора напряжения статора обеспечивает приведение в соответствие задаваемого и действительного фазового положения обобщенного вектора тока статора, что и определяет корректность реализации данного способа управления ДЦ. Расчет текущих значений проекций вектора напряжения и3(1)г1 и US(i)V выполняется датчиком напряжения ДН, который по информации о пространственном положении обобщенного вектора тока в неподвижной системе координат осуществляет перерасчет проекций вектора напряжения на новые оси координатной системы /114/ или реализует указанную функцию на основании баланса мощностей на входе и выходе Ж /115/.

Сигналы, соответствующие проекциям вектора напряжения статора US(i)u и US(i)v, блоком вычислителя амплитуды ВА преобразуются в величину напряжения на фазах АД, которая вместе с сигналом задания его частоты Uf определяет параметрическое задание вектора напряжения статора в неподвижной системе координат /99/. Сигнал частоты напряжения формируется блоком задания частоты ВЗЧ на основании заданного значения электромагнитного момента M(d и выбранного закона изменения абсолютного скольжения, а также дополнительных сигналов, призванных осуществить оперативную коррекцию скорости вращения вектора напряжения статора в динамических режимах.

В простейшем случае может быть реализована пропорциональная зависимость между сигналом задания электромагнитного момента М(1) и абсолютного скольжения ß. Для более точной стабилизации заданного значения модуля потокосцепления i|/r(i)ö в динамических режимах целесообразно формирование абсолютного скольжения на основании соотношения

I--2 М

Mi>3 - = „ Г (4.5) вытекающего из (4.2) - (4.4) при пренебрежении инерционностью роторной цепи, где сигнал, пропорциональный i|/r(v)v/ снимается с

Развертка частоты питающего напряжения осуществляется на основании соотношения п dUs(l>^ тт dUs(l)u d U ,14 us(l>u us(l)v

Uf=P+Z ffl+—arctg-^^=P+Z е> +--(4>6) dt Us(1)u Us(1) при этом выполнение регуляторов напряжения PHI и РН2 в виде интегрирующих звеньев (сигналы, пропорциональные производным от US(x)U и US(i)v, снимаются с их входов) существенно упрощает практическую реализацию (4.6).

Блок вычислителя момента ВМ на основании сигналов абсолютного скольжения и модуля тока статора с использованием соотношений (4.2), (4.3) и (4.4) производит расчет электромагнитного момента ДЦ. Структура ВМ представлена на рис. 4.19. Она синтезирована в системе координат, жестко связанной с вектором Is(1), в результате чего ее входными сигналами являются знакопостоянные величины, что принципиально устраняет возможность появления в сигнале обратной связи по моменту пульсирующей составляющей, связанной с погрешностями в обработке знакопеременных сигналов. Корректность такого подхода к синтезу ВМ определяется введением в структуру системы управления внутренних контуров регулирования составляющих вектора напряжения в системе координат вектора тока статора.

Как было отмечено, структурно ДД является сложным нелинейным объектом с внутренними перекрестными связями между каналами, что существенно затрудняет регулирование электромагнитных переменных. С целью устранения взаимного влияния переменных состояния ДД необходимо введение в структуру СУЭП соответствующих элементов, осуществляющих, в определенной степени, ав-тономизацию каналов регулирования и линеаризацию двигателя как объекта управления. Решение данной задачи возможно различными

Рис. 4.19.

Структурная схема блока компенсации ВК методами /116/, например, введением компенсирующих обратных связей или выбором структуры и соответствующих настроек регуляторов системы управления.

В настоящее время из методов технической линеаризации, использующих введение специальных компенсирующих взаимосвязей, наибольшее распространение получил способ моделирования в СУЭП наиболее существенных перекрестных связей в объекте регулирования с их последующим суммированием с управляющими воздействиями со знаками, противоположными знакам компенсируемых связей в объекте /95,110,117/.- Блок компенсации, структура которого приведена на рис. 4.20, производит расчет сигналов обратной связи по проекциям вектора потокосцепления ротора (см. рис. 4.17) на основании информации о значении модуля обобщенного вектора тока, величины абсолютного скольжения и электрической скорости вращения ротора. Вычисленные сигналы подаются на узлы суммирования сигналов заданного и реального значений проекций вектора напряжения статора (см. рис. 4.18), обеспечивая автономизацию каналов регулирования СУЭП. При использовании блока компенсации он входит в структуру БЗЧ на рис. 4.18.

Существенным недостатком блока компенсации, как и всякого моделирующего устройства, следует считать возможность появления расхождений между реальными и восстанавливаемыми сигналами вследствие изменения электромагнитных параметров ДЦ. Этот недостаток может ухудшить качество регулирования, причем в некоторых случаях весьма существенно. Другим вариантом автономиза-ции управления электромагнитными переменными является соответствующий структурный синтез регуляторов. В частности, в разработанной системе автономизация токового канала может быть реализована путем использования регулятора тока со структурой, представленной на рис. 4.21. Данная передаточная функция вытекает из эквивалентного структурного преобразования /116/ верхнего канала в схеме на рис. 4.17, исключающего в явном виде

Рис. 4.21.

Функциональная схема системы регулирования, отражающая использование информации о напряжении на дуге ЭП и системой регулирования напряжения

Рис. 4.22.

Система регулирования вылета электрода и напряжения на дуге с общей обратной связью по напряжению заведение компенсирующего сигнала в канал формирования и5(1)и. Как показали результаты модельных исследований, указанные способы автономизации каналов управления обеспечивают примерно одинаковые характеристики системы. Однако второй подход связан с меньшими трудностями в плане практической реализации.

Для функционирования представленной системы управления ЭП необходимо вычисление проекций вектора напряжения (с последующей трансформацией вектора из(1) в систему координат, связанную с 1в(1)) . Решение этой задачи может осуществляться различными способами /114,115,118,119/:

1. Непосредственным измерением напряжения на фазах ДЦ с посшедутацим вычислением проекций с помощью линейных преобразований. Недостатком данного способа является необходимость использования большого количества соответствующих датчиков, а также сложности при обработке несинусоидального фазного напряжения .

2. Измерением величины напряжения в ЗПТ (в случае нестабильности напряжения) или заданием его фиксированного значения непосредственно в СУЭП (если осуществляется стабилизация напряжения на входе Ж, например, одним из методов, указанных в п. 4.1) с его последующим масштабированием в соответствии с изменениями сигнала ШИР. Пространственное положение вектора напряжения при этом определяется на основании информации о сигналах управления силовыми ключами, сформированными системой управления ПЧ.

3. При отказе от использования регулирования напряжения на фазах двигателя посредством ШИР и применении для этих целей управляемого выпрямителя или импульсного преобразователя на входе Ж (см. п. 4.1) идентификация модуля вектора напряжения производится измерением величины напряжения в ЗПТ, а определение его пространственного положения - вышеописанным способом.

В силу меньшей потребности в датчиках напряжения целесообразней использовать способы 2 и 3, причем их конкретная реализация будет зависеть от используемого метода питания силовой части ЭП сварочного оборудования (см. п. 4.1).

При питании ЭП непосредственно от источника питания дуги для измерения величины напряжения на входе инвертора может применяться сигнал обратной связи по напряжению, используемый системой автоматического регулирования технологического параметра (САРТП) , например, напряжения на дуге, длины дуги и др. (см. рис. 4.22) . В случае же наличия такой ОС в СУЭП этот сигнал, в свою очередь, может использоваться в создаваемой САРТП, причем в обоих реализациях регулирование напряжения на дуге (длины дуги и т.д.) может осуществляться как с помощью САРТП, если ЭП реализует регулирование другого технологического параметра, так и посредством ЭП, управляющего, например, скоростью подачи электродной проволоки. Путем такого "коллективного" использования обратных связей можно, во-первых, обеспечить устранение избыточных элементов, что повышает технико-экономические показатели сварочного оборудования, и, во-вторых, создать интегрированную систему регулирования технологических параметров, составной частью которой является ЭП.

Пример такой комплексной системы автоматического регулирования напряжения на дуге и вылета электрода (САРНД и САРВЭ) при сварке плавящимся электродом, построенной на базе ЭП с ориентацией по вектору тока статора, приведен на рис. 4.23. Управление вылетом электрода здесь осуществляется с помощью воздействия на ЭП, являющийся, например, исполнительным звеном последней степени подвижности ПР для дуговой сварки плавящимся электродом, подверженной влиянию мощных нестационарных электродинамических сил /2/ и обладающей существенной массой технологической оснастки /2,22/, что требует непосредственного управления моментом АД. Регулирование величины вылета производится путем управления положением степени подвижности (Хах) г а регулирование величины напряжения на дуге ия осуществляется с помощью системы автоматического регулирования напряжения дуги (САРНД) путем воздействия либо на скорость подачи электродной проволоки Уаод, либо на управляемый выпрямитель (изменению подвергается ЭДС выпрямителя Еип) . Разность между Упод и скоростью плавления Ч^ определяет длину дуги, которая, в свою очередь, пропорциональна напряжению на дуге. Соответствующий ему сигнал обратной связи служит как для регулирования собственно напряжения, так и для вычисления проекций вектора напряжения статора, поскольку является напряжением питания силовой части ЭП.

В п. 4.1 отмечалось, что при питании ЭП непосредственно от источника питания дуги и сопоставимости мощности потребителей энергии необходим контроль за величиной тока, потребляемого от источника. Он может быть реализован путем использования датчика тока на входе Ж с последующим приведением полученного значения к напряжению источника питания дуги на основе баланса мощностей. Необходимо отметить, что наличие в СУЭП с ориентацией по вектору тока статора информации о векторах напряжения и тока статора принципиально позволяет решить эту задачу без непосредственного измерения тока на входе ЛИ. Так, потребляемый ЭП из источника питания ток, исходя из баланса мощностей на входе и выходе Ж (при учете только первой пространственной гармоники), может быть вычислен по следующему соотношению: п±п, (4.7) где ип и 1п - соответственно напряжение сварочного источника питания и потребляемый ЭП от него ток.

Таким образом, разработанная система ЭП с ориентацией на обобщенный вектор тока статора, регулированием электромагнитного момента ДЦ и контролем величины абсолютного скольжения при применении в сварочном оборудовании позволяет не только обеспечить качественное управление, но и создавать эффективные системы регулирования параметров технологического процесса сварки, в том числе в составе сложных систем их комплексного регулирования.

4.3. Исследование характеристик многофазного асинхронного ЭП

Для проверки корректности основных подходов к разработке системы управления многофазным асинхронным ДЦ в системе координат, связанной с обобщенным вектором тока статора, а также с целью выявления основных качественных показателей, обеспечиваемых разработанным ЭП (см. рис. 4.18), был проведен ряд исследований. Были исследованы статические и динамические характеристики ЭП в режимах пуска, сброса и наброса момента нагрузки в нескольких диапазонах регулирования скорости, а также влияние на показатели ЭП кратковременного снижения напряжения на входе Ш с его последующим восстановлением для случая питания силовой части ЭП непосредственно от силового источника питания сварочной установки.

Исследования проводились путем численного моделирования ЭП на ЭВМ с использованием имитационного комплекса МИК. Текст модели исследованной СУЭП и входящих в нее макроблоков приведен в приложении 3. Разработка модели и расчеты с ее использованием были проведены с учетом только основного энергетического канала, связанного с первой пространственной гармоникой поля, причем проекции вектора напряжения статора на оси неподвижной системы координат были приняты синусоидальными. Корректность такого подхода объясняется следующими причинами: во-первых, функционирование отдельных элементов и всей системы ЭП, ориентированной на обобщенный вектор тока статора, происходит с использованием сигналов обратной связи и, соответственно, управляющих воздействий, приведенных к первой пространственной гармонической поля; во-вторых, при числе фаз ЭП т>9.12 (в исследованном ЭП использовался 9-фазный ДЦ) пульсирующая составляющая электромагнитного момента ДЦ относительно невелика и оказывает некоторое влияние на качественные характеристики ЭП только в области малых скоростей вращения и низких частот питающего напряжения; в-третьих, проекции вектора напряжения статора, приведенного к первой гармонике поля, по форме доста точно близки к синусоиде, что и позволяет без существенной по грешности при моделировании заменить их последней. Параметры многофазного ДЦ, использованного при моделировании привода, приведены в табл. 4.1. В модели момент инерции, приведенный к валу двигателя, был принят равным 1.5^. Перегрузочная способность ЭП в динамических режимах ограничивалась на уровне, соответствующему максимальному скольжению Ршахг2. 5рн.