CC BY
28
УДК 62-83+681.515
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЖИМА ДИНАМИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ СИНХРОННОГО ЧАСТОТНО - РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
© 2013 г. Д.В. Барыльник, О.А. Кравченко, А.Б. Бекин
Барыльник Дмитрий Владимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электропривод и автоматика», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: [email protected]
Кравченко Олег Александрович - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Электропривод и автоматика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (8635) 25-52-10. E-mail: [email protected]
Бекин Азамат Базарбаевич - аспирант, кафедра «Электропривод и автоматика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: [email protected]
Barylnik Dmitry Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electrical Drives and Automatics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: [email protected]
Kravchenko Oleg Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electrical Drives and Automatics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (8635) 25-52-10. E-mail: [email protected]
Bekin Azamat Bazarbaevich - post-graduate student, department «Electrical Drives and Automatics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: azamatbekin@ gmail.com
Предложено техническое решение по реализации режима динамического торможения синхронным электродвигателем с постоянными магнитами совместно с преобразователем частоты при длительных отключениях питающего напряжения. Приведены осциллограммы работы электропривода с активным нагрузочным моментом в режиме динамического торможения.
Ключевые слова: динамическое торможение; синхронный электропривод; имитация невесомости; силокомпен-сирующая система.
Technical solution to implement DC injection braking mode for the frequency controlled synchronous motor with permanent magnets when the power supply would off for a long time was proposed. There are oscillograms of running of electric drive with active torque load in the DC injection braking mode.
Keywords: DC injection braking; synchronous electric drive; imitation of weightlessness; forces compensation system.
В наше время преобразователи частоты активно применяются для автоматизации работы электроприводов переменного тока различных типовых механизмов. Такие электроприводы обеспечивают работу как в двигательном, так и в генераторном режимах со сбросом энергии торможения на внешнее тормозное сопротивление или рекуперацией энергии в сеть, а также торможение постоянным током. При отключении силового питающего напряжения управление электроприводом становится невозможным. Однако существуют случаи, когда при отключении питающего напряжения необходимо обеспечить работу электропривода в тормозных режимах. Такая задача возникает, например, при построении системы вертикальных перемещений тренажеров для подготовки космонавтов к работе в условиях невесомости [1].
Управление электроприводами систем вертикальных и горизонтальных перемещений реализу-
ется по принципу силокомпенсации [2], согласно которому обеспечивается компенсация всех сил, препятствующих движению космонавта в пространстве: силы трения, силы тяжести (веса космонавта), силы инерции присоединённых масс (момента инерции двигателя, передаточного устройства и т.д.). В результате, при приложении космонавтом незначительных мышечных усилий, он начинает перемещение в рабочем пространстве тренажера с параметрами движения, близким к невесомости. При отключении питающего напряжения необходимо обеспечить плавное опускание космонавта в скафандре на нулевую отметку и его эвакуацию из него. Одним из направлений решения указанной проблемы является установка блоков бесперебойного питания в системе электроснабжения. Но такой подход не всегда является оправданным, так как может существенно увеличить стоимость оборудования, осо-
бенно при больших мощностях электропривода. Поэтому предлагается использовать режим динамического торможения двигателя при питании его от преобразователя частоты. В этом случае построение электропривода вертикальных перемещений рекомендуется выполнять на базе синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов [3].
Реализацию режима динамического торможения при отключении питающего напряжения поясним на примере функциональной схемы силовой части электропривода вертикальных перемещений, приведенной на рис.1.
Схема работает следующим образом. При отключении входного питающего напряжения Uc снимается напряжение с цепи <ш-Ь» питания силового контактора ^1, и он отключается. При действии активного момента Ы0, создаваемого весом космонавта и скафандра, вал двигателя М начинает вращаться со скоростью пропорционально которой на обмотках статора наводится трехфазная ЭДС, которая через обратные диоды VD7-VD12 инвертора напряжения ИН поступает в звено постоянного тока и далее, в узел торможения УТ, состоящего из тормозного сопротивления Rт и силового выключателя £1. При замкнутых контактах выключателя £1 в цепи протекает тормозной ток 1т, под действием которого на валу двигателя формируется тормозной момент Ыт. Реализуется режим динамического торможения, при котором космонавт будет плавно опускаться до нулевой отметки. Для защиты преобразователя частоты ПЧ от появления входного напряжения ис, при реализации в нем режима динамического торможения, используется контакт £1.1, который разрывает цепь питания силового контактора К1 и предотвращает его включение.
Изложенный выше подход по реализации режима динамического торможения синхронным электродви-
гателем с постоянными магнитами, при длительном отключении питающего напряжения, использован нами в электроприводе устройства обезвешивания скафандров тренажера «Выход-2», эксплуатируемого в ФГБУ НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина, для обучения космонавтов работе в условиях космоса [3]. Система вертикальных перемещений на тренажере «Выход-2» обеспечивает перемещение космонавта в скафандре с общей массой до 250 кг, диапазон вертикальных перемещений ±1,0 м, максимальная скорость перемещения 0,4 м/с, и ускорение - не более 0,2 м/с2.
Система управления электропривода вертикальных перемещений реализована на оборудовании фирмы Siemens. Функциональная схема системы вертикальных перемещений, обеспечивающая работу в режиме динамического торможения, приведена на рис. 2.
Система управления электропривода вертикальных перемещений содержит: многокоординатный модуль управления Simotion D425 (МУ), модуль питания и рекуперации Smart (МПР) мощностью 10 кВт, модуль управления двигателем (МД) с номинальным выходным током 9 А, модуль торможения (МТ) с внешним тормозным резистором (RT) мощностью 1,5 кВт и сопротивлением 5,7 Ом. Для механизма подъема использован мотор-редуктор серии 1FK7061-7AF71-1FH5-Z J12, состоящий из синхронного двигателя М с возбуждением от постоянных магнитов (мощность 1,7 кВт, момент в состоянии покоя 6,4 Нм, номинальный момент 5,4 Нм, номинальная скорость 3000 об/мин) и встроенного планетарного редуктора Y типа SP100S-MF2 с передаточным отношением /р=16. Синхронный двигатель имеет встроенный датчик абсолютного положения B1 с интерфейсом Drive Cliq (многооборотный 22 бит, 4096 оборотов, дополнительная инкрементальная дорожка 2048 имп/об).
Рис. 1. Функциональная схема силовой части электропривода вертикальных перемещений для режима динамического торможения
Рис. 2. Функциональная схема электропривода вертикальных перемещений тренажера «Выход-2»
К выходному валу мотор-редуктора через тормозную муфту присоединен барабан диаметром 100 мм. Колодочный тормоз YB типа ТКГ200 с электрогидравлическим толкателем YB1 имеет рычаг ручной разблокировки тормоза Р. Канатная передача реализована с кратностью полиспаста /п = 2.
Работа схемы в штатном режиме осуществляется следующим образом. Напряжение питания Uc через главный выключатель S1 подается на силовые цепи источника бесперебойного питания (ИБП), МПР и YB1. При включении S1, на управляющий вход ИБП поступает сигнал на разрешение работы схемы бесперебойного питания. На выходе ИБП формируется напряжение +24 В для питания всех элементов управления. Включается главный контактор К1, который подает входное напряжение Uc на силовую цепь питания МПР. Одновременно с этим ИБП выдает логический сигнал о наличии входного напряжения (Uc Ф 0), который поступает на пульт управления (ПУ) для контроля и диагностики. Управление разблокировкой колодочного тормоза YВ осуществляется от МУ с помощью контактора К2. Обмен сигналами управления между всеми модулями осуществляется по интерфейсу DRIVE CLIQ, а между пультом управления ПУ, контактором К2 и реле КЗ - по линии дискретных входов/выходов DI/DO.
При исчезновении входного напряжения Uc, питание элементов управления обеспечивается от ИБП. С выхода ИБП на ПУ поступает сигнал об отсутствии входного напряжения (Uc = 0). При поступлении ко-
манды от оператора на опускание космонавта, схема переводится на режим динамического торможения: включается реле К3, для блокировки включения контактора К1, подается сигнал на включение МТ, что приводит к замыканию звена постоянного тока на сопротивление RT. Для опускания космонавта, рычагом Р разблокируют колодочный тормоз YB, и космонавт под действием собственного веса Р0 начинает плавно опускаться до нулевой отметки со скоростью VO. По завершении процесса опускания, главный выключатель 51 переводят в положение «Выкл.» и таким образом выключают работу схемы бесперебойного питания ИБП.
Осциллограммы работы электропривода вертикальных перемещений в режиме динамического торможения при отключении питающего напряжения, полученные на тренажере «Выход-2» при опускании скафандра массой 140 кг, приведены на рис. 3.
Из приведенных на рис. 3 осциллограмм видно, что после отключения питающего напряжения на участке 1 наблюдается медленное снижение уровня напряжения в звене постоянного тока. В момент времени 12,5 с включается схема осуществления динамического торможения, обеспечивающая быстрый разряд звена постоянного тока на тормозное сопротивление. Скафандр начинает плавно опускаться со скоростью около 0,041 м/с (участок 2). В процессе опускания уровень напряжения в звене постоянного тока постоянен и составляет около 17,5 В, что соответствует величине выпрямленной ЭДС, наводимой на обмотках статора синхронного двигателя при вращении
ротора со скоростью 250 об/мин. По достижении космонавтом нулевой отметки, в момент времени 39 с, уровень напряжения в звене постоянного тока снижается, а скорость двигателя становится равной нулю.
-50 -100 -150 -200' -250
"дв,
об/мин
Uос, В 350
300 250 200 150 100 50
0 ю 2 0 3 0 4 J Ю t,
)
ШЖиШМШШУ WtfpWfnWil'IIMii
—!'Т)— 2
12,5 j- 17,5В ......^ 39
0
10
20
30
40
L с
Рис. 3. Осциллограммы скорости и напряжения в звене постоянного тока в режиме динамического торможения
Выводы
1. Режим динамического торможения синхронного частотно-регулируемого электропривода при длительном отключении питающего напряжения можно
реализовать при совместном использовании синхронного электродвигателя с постоянными магнитами и преобразователя частоты путем принудительного шунтирования звена постоянного тока на тормозное сопротивление.
2. Предложенное техническое решение целесообразно использовать для безопасного опускания объектов на нулевую отметку в установках с синхронным электроприводом и активным нагрузочным моментом, например тренажерах, лифтах, кранах.
3. Апробация предложенного технического решения в электроприводе вертикальных перемещений тренажера «Выход-2» подтвердило его эффективность для обеспечения требований безопасности работы тренажерных комплексов для подготовки космонавтов.
Работа подготовлена в ходе выполнения проекта №7. 16.04.2011 в рамках государственного задания на проведение НИОКР 2013 года.
Литература
1. Кравченко О.А., Пятибратов Г.Я. Создание и опыт эксплуатации силокомпенсирующих систем, обеспечивающих многофункциональную подготовку космонавтов к работе в невесомости // Изв. вузов. Электромеханика. 2008. № 2. С. 42 - 47.
2. Кравченко О.А. Принципы построения многокоординатных силокомпенсирующих систем // Изв. вузов. Электромеханика. 2008. № 3. С. 43 - 47.
3. Пятибратов Г.Я., Кравченко О.А., Папирняк В.П. Способы реализации и направления совершенствования тренажёров для подготовки космонавтов к работе в невесомости // Изв. вузов. Электромеханика. 2010. № 5. С. 70 - 76.
Поступила в редакцию
3 июля 2013 г.
