11 Тяпкин М.Г

СИСТЕМЫ СИЛОВОГО ПИТАНИЯ
СОВРЕМЕННЫХ СЕРВОПРИВОДОВ
Тяпкин М.Г.
к.т.н., инженер НИУ «МЭИ». Кафедра АЭП
НИЛ Центр Прецизионной Мехатроники
Содержание доклада
1. Основные требования к система силового питания современного сервопривода
2. Особенности построения систем силового питания сервоприводов малой (1-30 кВт) и
средней мощности (30 – 500 кВт)
3. Особенности организации системы силового питания многоосевого сервопривода
4. Макет двухосевого сервопривода с системой силового питания на базе активного
выпрямителя напряжения, разработанный в НИЛ Центр Прецизионной Мехатроники для
проекта с тайванской компанией «Хайвин» (HIWIN)
2
Структура одноосевого сервопривода
Сеть
Устройства
подключения
к сети
Система
силового
питания
М
Сервоусилитель
ДП
Основные элементы современного сервопривода:
1. синхронная машина (М) – работающая в режиме самокоммутации за счет
положительной обратной связи по положению
2. датчик положения (ДП) – обеспечивающий измерение положения с высоким
разрешением и точностью
3. сервоусилитель – реализующий функции управления, регулирования и измерения
4. система силового питания (ССП) – обеспечивающая силовое питание сервоусилителя
5. устройства для подключения сервопривода к сети (предохранители, контактор,
автоматический выключатель)
Основные требования к системам силового питания сервопривода:
1. создание и поддержание требуемого напряжения на звене постоянного тока
2. обеспечение требуемой пиковой и средней мощности (3:1)
3. ограничение тока в процессе заряда звена постоянного тока
4. «поглощение» или рекуперация энергии торможения двигателя и механической нагрузки
5. обеспечение низкого гармонического состава входных токов (IEC 61000-3-2 International
Standard, 2000)
6. ограничение выбросов напряжения и ЭМИ защиту
7. минимизация цены устройства
3
ССП сервоприводов мощностью 1-30 кВт
ССП мощностью до 1 кВт
L1
3
-ºt
1
L2
2
U
5
-ºt
L3
U
+ 7
6
U
-ºt
Udc-
PE
4
ССП мощностью 1-30 кВт
8
L1
Udc+
9
3
1
L2
U
L3
U
5
+ 7
6
U
Udc-
PE
4
ССП мощностью 1-30 кВт
с дополнительной защитой
Особенности систем силового питания
сервоприводов мощностью 1-30 кВт:
1. диодный выпрямителя – создание напряжения
на звене постоянного тока
2. тормозной резистор – «поглощение» энергии
торможения двигателя и нагрузки
3. ограничения зарядового тока конденсаторов
звена постоянного тока с помощью:
3.1. < 1 кВт – терморезисторы с отрицательным
температурным коэффициентом сопротивления
3.2. > 1 кВт – зарядный резистор, шунтируемый
после заряда с помощью силового реле
3.3. для дополнительной защиты – мощные
терморезисторы с положительным температурным
коэффициентом сопротивления
Udc+
8
L1
3
+ºt
1
L2
10
9
U
5
+ºt
L3
U
+ 7
6
U
+ºt
Udc-
PE
4
4
ССП сервоприводов мощностью 30-500 кВт
ССП с полууправлемым тиристорным Особенности систем силового питания
сервоприводов мощностью 30-500 кВт:
выпрямителем
Udc+
11
1. создание напряжения на звене постоянного тока
L1
3
и «поглощение» энергии торможения двигателя
1
L2
+ 7
1.1. использование полууправляемого выпрямителя
5
и тормозного резистора
L3
6
1.2. использование управляемого активного
UdcPE
12
выпрямителя (АВН) для двунаправленного обмена
ССП с двухуровневым АВН
энергией
11
Udc+
2. использование предзарядового контура для
L1
3
ограничения зарядового тока конденсаторов звена
1
7
L2
+
постоянного тока
3. использование многоуровнего инвертора, что
L3
позволяет увеличить эффективность АВН за счет:
Udc13
PE
14
3.1. увеличения качества выходного напряжения
ССП с трехуровневым АВН
3.2. уменьшения ЭМИ фильтра и входного дросселя
Udc+
3.3. уменьшения потерь за счет применения
11
низковольтных полупроводниковых ключей и
L1
3
+ 7
1
уменьшения частоты коммутации
L2
3.4. эффективного использования звена
+ 7
L3
постоянного тока и конденсаторов с более низким
13
PE
напряжением
U
U
U
U
U
U
U
U
U
Udc15
5
Структура многоосевого сервопривода
Структура с общим подключением к сети
Сеть
Устройства
подлючения
к сети 1
Система
силового
питания
1
...
...
Устройства
подлючения
к сети n
Система
силового
питания
n
Сервоусилитель
1
Структура с общим звеном постоянного тока
М1
Сеть
Устройства
подлючения
к сети
Система
силового
питания
Сервоусилитель
1
ДП
...
Сервоусилитель
n
...
Мn
ДП
М1
ДП
...
Сервоусилитель
n
...
Мn
ДП
Особенности многоосевых сервоприводов с общим звеном постоянного тока :
1. увеличение эффективности за счет увеличения средней нагрузки системы силового
питания
2. уменьшение количества устройств для подключения сервопривода к сети
3. увеличение общей емкости звена постоянного тока
4. уменьшение мощности, рассеиваемой в тормозном резисторе, за счет
перераспределения энергиями между сервоусилителями
5. уменьшение стоимости и размеров сервопривода (при 2 осях и более)
6
Опытный макет двухосевого сервопривода
с АВН мощностью 10 кВт
Сервоусилитель 1
Сервоусилитель 2
ССП
Количество осей
Тип ССП
Номинальная мощность ССП
Напряжения звена
постоянного тока
Входное напряжение
Номинальный входной ток
ССП
2
Двухуровневый АВН
10 кВт
350/650 В
230/400 В, 3ф, 50 Гц
25 А (действующее)
Устройства для
подключения к
сети,
ЭМИ фильтр
Дроссель
Тормозной
резистор
Нагрузка – LMF64
(HIWIN)
Продолжительная
мощность –17 кВт
7
Система управления АВН
Выпрямитель
Предзарядовый резистор
Udc+
U
Тормозной
резистор
V
ДН
W
UdcДН
UUV
Инвертор
Дроссель
UWU
ФАПЧ
IU
IV
ШИМ
UV
Phi
Ampl
Конденсаторы звена
постоянного тока
%
с предмодуляцией
третьей
гармоникой
dq
Iq
Id
I*d
+
0
Udc
+
Phi*
ПИ
dq
ПИ
++
++
polar
Ampl*
+
U*dc
ПИ
8
Тестирование работы АВН
Тестирование работы АВН
с активной нагрузкой 5 кВт
300
30
200
20
100
10
Ток, А
0
-100
-10
-200
-300
0.00
-20
U.un
U.vn
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6 Время, с
300
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60 Время, с
Время, с
380
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
Pll.ek
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Напряжение звена постоянного
тока, В
Фазовая ошибка ФАПЧ, радиан
I.u
I.v
-30
0.6
-0.6
0.00
0
Время, с
Результаты:
1. Время синхронизации ФАПЧ - 20 мс
2. Время установления переходного процесса
при сбросе-набросе нагрузки – 10 мс,
просадка напряжения звена постоянного тока
– 20 В
3. Суммарное значение коэффициента
нелинейных искажений токов (THD) – 8%
4. Чувствительность СУ к измеряемому
напряжению сети
370
360
350
340
330
320
310
Udc
Гармонический состав токов
5
4
Амплитуда, %
Сетевое напряжение, В
Тестирование ФАПЧ
CLASS D
Ampl
3
2
1
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Номер гармоники
9
Заключение
1. Требование соответствия международным стандартам
(International Standard:
IEC 61000-3-2 - Limits for Harmonic Current Emissions for class D equipment.
IEC 61000-3-4 - Limits for Harmonic Current Emissions for three-phase equipment)
2. Интегрирование элементов защиты (ЭМИ защита) в ССП сервопривода.
3. Повышение эффективности ССП:
- организация ССП с общим звеном постоянного тока
- внедрение двунаправленных ССП для сервоприводов мощностью >10 кВт
- внедрение ССП на базе многоуровневых активных выпрямителей
4. Перспективы развития систем силового питания:
- совершенствование силового модуля за счет использования новых полупроводниковых
приборов на основе карбида кремния (SiC)
10
Спасибо за внимание
Докладчик: Тяпкин Михаил Геннадьевич
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Кафедра АЭП
НИЛ Центр Прецизионной Мехатроники
Телефон: (495) 362-70-60
Е-mail: tiapkinmg@mail.ru
11
11