Целью данной работы является исследование электродинамиче-ских процессов в частотно-управляемом электроприводе (ЧУЭП) методом математического моделирования — в частности, в режиме двухтокового динамического торможения с учетом 5-й и 7-й гармоник тока статора асинхронного двигателя (АД). Приведены особенности формирования автономным инвертором напряжения (АИН) низких частот (0,2–15 Гц) тока статора АД, сопровождаемого дополнительными потерями электроэнергии в ЧУЭП и по-явлением пульсирующих моментов на валу АД, вызывающих неравномерность движения исполнительного механизма (ИМ) рабочего органа (РО) технологической машины (ТМ) в зоне малой скорости и усложняющих их позиционирование в заданное положение. При неоднозначности сил трения в звеньях подвижности ИМ РО и наличии пульсирующих моментов на валу АД реализовать программное торможение ЧУЭП без коррекции закона движения достаточно трудно. Для решения этой проблемы в ЧУЭП авторы предлагают, во-первых, использовать пространственно-векторную широтно-импульсную модуляцию (ПВ ШИМ) с m-кратной подмодуляцией несущей частоты (НЧ) и без подмодуляции в режиме торможения АД. Во-вторых, целесообразно применить (кратковременно в зоне малой скорости) принцип вибрационной линеаризации для снижения коэффициента трения К до пониженного значения (Кэф) в звеньях подвиж-ности ИМ РО за счет микровибрации ротора АД, обусловленной 5-й и 7-й гармониками тока статора. Таким образом, работа по моделированию ЧУЭП (в программном пакете Matlab + Simulink) позволила уточнить влияние 5-й и 7-й гармоник тока статора АД на возможность программного осуществления двухтокового режима динамического тормо-жения ЧУЭП при снижении общих потерь электроэнергии в зоне малой скорости движения ИМ РО. Кроме того, была подтверждена возможность применения в типовых схемах АИН — АД предлагаемых решений электроприводов мехатронных и робототехнических систем широкого назначения с повышенными требованиями к позиционирова-нию.
инвертор напряжения, пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция (ПВ ШИМ), гармоники тока статора, пульсирующий (колебательный) момент, двухтоковое динамическое торможение, подмодуляция несущей частоты, электрические и тепловые потери, вибрационная линеаризация, позиционирование.
В производственной практике — например, в промышленных роботах (ПР), манипуляторах, металлорежущих станках — могли бы более широко применяться частотно-управляемые электроприводы (ЧУЭП) на базе короткозамкнутого асинхронного двигателя (АД), функционирующие по схемотехническому решению [1]: автономный инвертор напряжения — асинхронный двигатель (АИН — АД). Однако в настоящее время использование ЧУЭП несколько ограничено рядом причин [1, 2, 3]. В частности, невозможно обеспечить необходимые механические характеристики АД в зоне низких и ползучих скоростей с учетом сил трения в направляющих движения исполнительного механизма (ИМ) рабочего органа (РО) технологической машины (ТМ). Известна [4] неоднозначность движущих сил ИМ, обусловленная пульсациями результирующего момента на валу АД при квазисинусоидальном питающем напряжении статора низкой частоты 0,2–15 Гц. Это ведет к формированию шагового режима вращения ротора, что объясняется следующим образом. Множество магнитных полей в статоре АД возбуждаются от гармоник тока — в основном, за счет взаимодействия полей 5-й и 7-й гармоник с основной гармоникой — и вращаются с различными скоростями и в различных направлениях [2]. Если рассматривать случайный характер изменения сил трения в звеньях подвижности ТМ в совокупности с формированием пульсирующего момента на валу АД, то представляется довольно сложным обеспечение заданного режима программного торможения АД.
Данная статья посвящена проблеме снижения влияния трения в звеньях подвижности на точность позиционирования ИМ ТМ за счет кратковременного использования результирующего (пульсирующего) момента полей 5-й и 7-й гармоник тока статора с основной гармоникой в режиме предоконечного торможения АД мощностью до 100 Вт. Принято, что структура ИМ промышленных роботов станочных систем является сложной, и в ней наибольшая интенсивность микродвижений звеньев наблюдается на частотах собственных колебаний fим, изменяющихся от 3 до 50 Гц [5]. По мнению авторов, данная задача может быть решена следующим образом. На конечной стадии режима торможения АД (например, транспортирующей степени подвижности с электроприводом в системе АИН — АД) предлагается формирование пульсирующего момента, изменяющее «эффективный» коэффициент трения звена подвижности ИМ в результате применения принципа «вибрационной линеаризации» коэффициента трения [7].
1. Соколовский, Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием / Г. Г. Соколовский. - Москва : Академия, 2006. - 273 с.
2. Перельмутер, В. М. Прямое управление моментом и током двигателей переменного тока / В. М. Перельмутер. - Харьков : Основа, 2004. - 210 с.
3. Карнаухов, Н. Ф. Особенности формирования циклических режимов частотного электропривода техноло-гических машин в зоне малой скорости движения исполнительного механизма / Н. Ф. Карнаухов, М. Н. Филимонов, А. И. Изюмов. - Вестник. Дон. гос. техн. ун-та. - 2012. - № 6 (67). - С. 76-86.
4. Филимонов, М. Н. Улучшение динамики торможения асинхронного двигателя станочной системы с частот-ным управлением / М. Н. Филимонов, Н. Ф. Карнаухов // Современные проблемы машиностроения и высоких техно-логий : мат-лы. междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 75-летию Дон. гос. техн. ун-та. - Ростов-на-Дону, 2005. - Т. 1. - С. 236-242.
5. Добрынин, С. А. Методы автоматизированного исследования вибрации машин / С. А. Добрынин, М. С. Фельдман, Г. И. Фирсов. - Москва : Машиностроение, 1987. - 224 с.
6. Электромеханические системы управления тяжелыми металлорежущими станками / С.В. Демидов [и др.] ; под общ. ред. С. В. Демидова. - Ленинград : Машиностроение, 1986. - 236 с.
7. Пановко, Я. Г. Лекции по основам теории вибрационных машин и технологий / Я. Г. Пановко. - Москва : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 192 с.
8. Карнаухов, Н. Ф. Улучшение характеристик частотного электропривода технологических машин в зоне малой скорости движения исполнительного механизма / Н. Ф. Карнаухов, Ю. В. Пудова, М. Н. Филимонов // Молодежь. Техника. Космос : тр. IV Общерос. молодеж. науч.-техн. конф. // Вестник БГТУ. 2012. - № 15. - 380 с. - (Библиотека «Военмех»).
9. Браславский, И. Я. Использование приложения Simulink для оценки потребления электроэнергии асин-хронным электроприводом / И. Я. Браславский, З. Ш. Ишматов, Ю. В. Плотников // Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB : тр. II науч. конф. - Москва, 2004. - Ч. 5 - С. 1387-1394.
10. Карнаухов, Н. Ф. Особенности формирования двухтокового динамического торможения асинхронного двигателя мехатронной системы при частотном управлении / Н. Ф. Карнаухов, М. Н. Филимонов, Н. В. Деркачев // Мехатроника-2008 : мат-лы IV междунар. науч.-практ. студ. коллоквиума. - Новочеркасск, 2008. - С. 17-20.
11. Карнаухов, Н. Ф. Энергетические показатели электропривода при частотном способе управления асин-хронным двигателем / Н. Ф. Карнаухов, В. А. Прус, М. Н. Филимонов // Тр. VIII Междунар. науч.-техн. конф. по ди-намике технологических систем. - Ростов-на-Дону, 2007. - Т. III. - С. 24-30.
12. Система позиционного электропривода с задатчиком положения / П. Х. Коцегуб // Известия вузов. Элек-тромеханика. - 1982. - № 3. - С. 331-337.
13. Установка для демонстрации рекламно-информационного материала и устройство управления перемеще-нием носителя информации : патент 36914 Рос. Федерация : G09F13/00 H02P7/36 H02P7/62 H02P7/74 H02H7/08 / Н. Ф. Карнаухов, М. Н. Филимонов, С. А. Ушаков. - Опубл. 27.03.04. - Бюл. № 9. - 14 с.
