Основные технические параметры ЭП

К основным техническим параметрам ЭП относят следующие параметры, которые, как правило, должны быть указаны в паспорте ЭП [8]:

• Номинальный вращающий момент ЭД, М_N, Нм.

• Номинальная механическая мощность на валу ЭД, Р_N, Bт.

• Номинальная угловая скорость Ω_N, рад/с.

• Максимальная угловая скорость Ω_max, рад/с.

• Диапазон регулирования — отношение максимальной скорости Ω_max к минимальной, Ω_min, при которой сохраняются все параметры ЭП по стабильности при изменении нагрузки, напряжения сети, температуры окружающей среды, реверсе двигателя и по неравномерности вращения D= Ω_max/ Ω_min.

• Чувствительность — минимальный сигнал управления, отрабатываемый ЭП U_{y min} (в следящем ЭП станка с ЧПУ этот сигнал должен быть меньше напряжения управления, соответствующего одной дискрете).

• Перегрузочная способность в установившемся и переходных режимах, определяемая отношением P_max/P_N; M_max/ M_N,

где P_max, P_N, M_max, M_N - максимальные и номинальные мощность и момент соответственно.

• Динамические характеристики по управляющему воздействию — время пуска и торможения t_п, t_т и по нагрузке — время восстановления скорости t_в, и динамическое изменение скорости DΩ.

• Энергетические характеристики: КПД (h), коэффициент мощности c.

• Удельные массогабаритные показатели определяются отношением мощности к массе P/m, Bт/кг; мощности к объему P/V, Bт/дм³; момента к массе M/m, Нм/кг; момента к объему M/V, Нм/дм³,

где m–масса ЭП; V–объем ЭП.

• Параметры окружающей среды (температура, влажность, давление и т.п.), при которых обеспечивается работа ЭП с заданными показателями качества и долговечность.

• Надежность — наработка на отказ, вероятность безотказной работы, срок службы, ремонтопригодность.

• Стоимость и экономичность обслуживания.

1.3. Основные требования, предъявляемые к автоматизированным ЭП малой и средней мощности, предназначенных для мехатронных и робототехнических систем

Требования к составу ЭП рассмотрим на примере ЭП постоянного тока [8].

В общем случае в состав ЭП постоянного тока входят:

- электродвигатель постоянного тока с электромагнитным возбуждением или возбуждением от постоянных магнитов со встроенным датчиком скорости, встроенным электромагнитным тормозом, датчиком температурной защиты и датчиком пути;

- полупроводниковый преобразователь, включающий силовой блок, обеспечивающий преобразование напряжения переменного тока в постоянное, регуляторы, обеспечивающие регулирование скорости двигателя в широком диапазоне с высокой точностью, блоки питания, защиты и диагностики;

- силовой трансформатор для согласования напряжения питающей сети с напряжением ЭД, ограничения тока короткого замыкания (КЗ) в приводе и снижения влияния помех или токоограничивающий реактор, ограничивающий ток КЗ;

- коммутационные реакторы для снижения взаимного влияния приводов при многозвенном (многокоординатном) исполнении и питании их от одного силового трансформатора (или через токоограничивающие реакторы);

- уравнительные или сглаживающие реакторы для ограничения уравнительных токов при совместном управлении и для сглаживания пульсаций тока якоря ЭД;

- автоматический выключатель для отключения привода от сети в аварийных режимах.

Состав ЭП может меняться в зависимости от конкретного типа ЭП и способа выполнения силового преобразователя.

Требования к сети, питающей ЭП.Питание ЭП общепромышленного применения производится, как правило, от трехфазной промышленной сети переменного тока напряжением 220, 380, 440, 500 В частотой 50 (60) Гц.

ЭП должны обеспечивать работу при отклонениях:

– напряжения питающей сети на (-15%) - (+10%) номинального значения;

– частоты питающей сети на ±2%;

–при кратковременных провалах мгновенных значений питающего напряжения, характеризуемых произведением (g×DU) £ 400 (град×%), где g – угол коммутации (длительность провала напряжения), градус; DU – падение напряжения при провале в процентах мгновенного значения, причем максимальное значение провала мгновенного значения питающего напряжения не должно превышать 100%, а его длительность 40¢.

Для обеспечения требования электробезопасности должна быть предусмотрена возможность заземления электрооборудования, входящего в состав ЭП.

Требования к основным техническим параметрам ЭП.Сигнал управления, соответствующий максимальной скорости – аналоговый ±10 В (для ЭП с аналоговым управлением). ЭП обеспечивает возможность управления по одному или более входам с сопротивление не менее 2 кОм.

При отсутствии гальванической связи между силовой цепью ЭП и цепью управления сопротивлением между ними должно быть не менее 20 кОм.

Момент ЭП в продолжительном режиме работы (S1) М_N, Н×м, должен быть не менее значений, указанных ниже:

0,35; 0,47; 0,7; 1,0;1,3; 1,7; 2,3 (2,1); 3,5; 4,7; 7,0; 10;13; 17; 23 (21); 35; 47; 70; 100; 130; 170.

Максимальные скорости ЭП в зависимости от М_N изменяются следующим образом (см. табл.1):

Таблица 1. Максимальные значения скорости вращения ЭП

В переходных режимах ЭП должны допускать в течение времени не более 0,2 с значения максимального момента не менее указанных в табл.2.

Во всех режимах работы, включая изменение нагрузки и переходные режимы ускорения и замедления, среднеквадратичное значение вращающего момента ЭД не должно превышать момента М_N, определяемого длительно допустимым по нагреву током двигателя.

Момент при вращении на максимальной скорости должен быть не менее 0,5М₀ в течение 1 мин.

Таблица 2. Максимальный допустимый момент ЭП в зависимости от типа полупроводникового преобразователя

Электроприводы должны обеспечивать момент М_N в режиме S1 по СТ СЭВ 1346-78 в диапазоне скоростей от 0 до 0,25 максимальной.

Значения допустимых погрешностей скорости и коэффициента неравномерности скорости вращения при различных диапазонах регулирования, приведены в табл.3 [8].

Таблица 3. Предельные значения погрешности скорости вращения и коэффициента неравномерности вращения

Для ЭП с максимальной частотой вращения более 100 рад/с при частоте вращения 0,01 рад/с погрешности должны быть: D_S £ 25%; D_м £ 15%; D_Р = ±15%; k_н £ 0,35.

Суммарная погрешность скорости D_S – сумма максимальных абсолютных значений погрешностей при изменении нагрузки от 0,15 М_N до М_N напряжения сети от 0,9 до 1,1 номинального, температуры окружающей среды от (20±5)°С до 45°С и собственном нагреве ЭП до установившейся температуры при половине длительно допустимого момента.

(1)

Погрешность скорости при изменении нагрузки определяется при изменении нагрузки от 0,15М_N до М_N, номинальном напряжении питающей сети и температуре окружающей среды (20±5)°С:

(2)

(3)

Погрешность скорости при изменении температуры окружающей среды от (20±5)°С до 45°С и предварительном нагреве ЭП до установившейся температуры при номинальном напряжении питающей сети и нагрузке равной 0,5М_N

. (4)

Погрешность скорости при изменении напряжения сети определяется при изменении напряжения питающей сети от 0,9U_ном до 1,1 U_ном, номинальном напряжении и температуре окружающей среды (20±5)°С

; (5)

. (6)

Погрешность скорости при изменении направления вращения (реверсе) определяется при холостом ходе ЭП, номинальном напряжении питающей сети и постоянной температуре окружающей среды (20±5)°С:

, (7)

где Ω_пр, Ω_лев — абсолютные значения скорости при фиксированном постоянном задающем напряжении соответственно для вращения ЭД вправо и влево.

Коэффициент неравномерности вращения ЭД определяется отношением разности максимальной и минимальной мгновенных Ω′_max и Ω′_min значения частот вращения к средней заданной скорости двигателя Ω_ср ЭП с дополнительной инерционной массой J_доп = J_дв. Все измерения производятся при холостом ходе:

. (8)

Минимальное среднее значение углового ускорения ЭП с дополнительной инерционной массой при скорости 0,5Ω_max должно быть не менее значений, указанных в табл. 4.

Таблица 4. Минимальные значения углового ускорения при заданных значениях момента и дополнительного момента инерции

Среднее значение углового ускорения, рад/с², ЭП определяется отношением скорости 0,63Ω_max/2 ко времени τ от момента подачи ступени управляющего напряжения, соответствующего частоте вращения Ω_max/2 до достижения данной скорости по формуле:

Полоса пропускания замкнутого контура регулирования скорости при наличии дополнительной инерционной массы в соответствии с табл. 3 и при амплитуде управляющего напряжения 0,1 В должна быть не менее 20Гц для тиристорных и 40Гц для транзисторных ЭП. Полоса пропускания замкнутого контура регулирования скорости определяется диапазоном частот, в котором сдвиг по фазе первых гармоник сигналов тахогенератора и задатчика скорости не превышает 90° или снижении амплитуды выходного сигнала не более 3 дБ.

Замкнутый ЭП должен иметь датчик скорости с крутизной характеристики не менее 0,02 В×мин с высокой линейностью и симметричностью характеристики (или 0,2 В×c).

В следящих ЭП фазовый или импульсный датчик пути, встраиваемый или пристраиваемый к ЭД, выполняется бесконтактным и имеет погрешность не более 5 угловых минут на полный оборот датчика.

Электромагнитный тормоз, встраиваемый в ЭД, должен быть безлюфтовым, растормаживаться при подаче на него напряжения и иметь момент не менее 0,5 М_N. Время переходного процесса при включении тормоза определяется от момента снятия напряжения до достижения 0,9М_N; время переходного процесса при отключении тормоза определяется от момента подачи напряжения до достижения 0,1М_N. Время переходного процесса (включения и отключения тормоза должно быть не более 0,1 с. Напряжение питания тормоза 24 В постоянного или 110 В переменного тока.

Перерегулирование при скачкообразной подаче на вход управляющего напряжения не более20% при частоте вращения 0,5Ω_max. Диапазон регулирования скорости вращения ЭП1000 или 10000.

Требования к системам защиты.ЭП должны быть снабжены аппаратурой защиты, сигнализации и индикации рабочих и аварийных режимов. ЭП должны иметь следующие виды защит от:

– коротких замыканий;

– токовых перегрузок;

– перенапряжений;

– исчезновения вентиляции (в системах с принудительной вентиляцией);

– исчезновения напряжения сети;

– неправильного чередования фаз (при необходимости).

Требования к конструкции.Силовой трансформатор, токоограничивающие реакторы, сглаживающие уравнительные и коммутационные реакторы, силовой преобразователь выполнены в виде самостоятельных конструктивных элементов, предназначенных для размещения в шкафах одностороннего или двустороннего обслуживания, выполненных в соответствии с СТ СЭВ 834-77.

Степень защиты электродвигателей с естественной вентиляцией не ниже IP44 по ГОСТ 14255-69 (СТ СЭВ 592-77). Электродвигатели с принудительным охлаждением имеют степень защиты не ниже IP22. Степень защиты датчиков угла поворота и частоты вращения после их встройки в электродвигатель не ниже IP44. Степень защиты силовых преобразователей, трансформаторов, реакторов — IP00. Исполнение ЭД — М3001, М3011, М3031 в соответствии с СТ СЭВ 246-76.

Уровень вибрации ЭД должен соответствовать классу вибрации N или R по СТ СЭВ 2412-80. Оценка уровня вибрации производится при Ω = 0,5Ω_max.

Допустимые пределы уровня шума для ЭД должны соответствовать классу 1 или 2 по СТ СЭВ 1348-78

Оценка уровня шума производится при Ω= 0,5Ω_max.

Силовой преобразователь, трансформатор и реакторы должны иметь болт заземления в соответствии с СТ СЭВ 2308-80.

Объем преобразователя без аппаратуры защиты силовых цепей определяется выпрямленным током в соответствии с табл. 5. За номинальный выходной ток преобразователя принимается среднее значение длительного допустимого тока на выходе преобразователя. За максимальный выходной ток преобразователя принимается максимальный средний ток на выходе преобразователя, который может быть обеспечен кратковременно в течение 0,2 с при переходных процессах.

Таблица 5. Примерные значения объема преобразователя электроприводов малой и средней мощности, предназначенных для мехатронных и робототехнических систем

Предельные габаритные размеры преобразователей следует выбирать из следующих предпочтительных значений: ширина 1/3В, или 2/3В или В, где В = 483 мм, высота nu, где n — целое число, u = 44,45 мм, глубина не более 500мм.

Требования по устойчивости к внешним воздействиям ЭП общепромышленного применения. Общепромышленные ЭП предназначены для работы в следующих условия:

– на высоте над уровнем моря не более 1000 м;

– при температуре окружающей среды: для ЭД и тахогенератора от +5 до +40°С, для полупроводникового преобразователя от +5° до +45°С и до +55°С с соответствующим уменьшением допустимого длительного тока;

– при максимальной относительной влажности воздуха 80% при температуре +30°С;

– в невзрывоопасной окружающей среде, не содержащей агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию;

– в закрытых стационарных помещениях при отсутствии непосредственного воздействия солнечной радиации.

Составные части ЭП, устанавливаемые в отдельно стоящие шкафы, должны допускать вибрацию с частотой от 1 до 35 Гц при ускорении не более 4,9 м/с² (0,5g), а устанавливаемые на станке – вибрацию до 60 Гц при ускорении не более 9,8 м/с² (1 g).

Требования к надежности ЭП.Наработка на отказ не менее 4000 часов. Срок службы – не менее 10 лет.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение электрического привода и приведите примеры реали­зации его элементов.

2. Поясните структурное построение ЭП.

3.Каковы преимущества электрического привода по сравнению с пневматическим и гидравлическим приводом?

4. Назовите основные этапы развития электрического привода.

5. Как классифицируются электрические приводы?

6. Чем характеризуется развитие современного электрического привода?

7. Перечислите основные технические параметры, характеризующие работу ЭП.

8. Перечислите основные требования к составу ЭП.

9. Перечислите основные требования к параметрам питающей сети.

10. Перечислите основные требования к системам защиты ЭП. 11. Перечислите основные требования к конструкции ЭП. 12. Перечислите основные требования по устойчивости к внешним воздействиям ЭП общепромышленного применения.