Управление электроприводом: от опытов Фарадея до современных технологий

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье представлена краткая историческая справка о появлении первых электроприводов и их дальнейшем развитии, а также приведен пример современного оборудования в этой области — сервоусилителя SERVOSTAR S700 от компании Kollmorgen.
Действующая модель электродвигателя Б. С. Якоби

Рис. 1. Действующая модель электродвигателя Б. С. Якоби

История электропривода насчитывает уже более 190 лет. Началась она еще в 1821 г., когда знаменитый ученый Майкл Фарадей (Michael Faraday) проводил опыты, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, и показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника с током. В 1834 г. немецкий физик и изобретатель Мориц Герман Якоби (Moritz Hermann von Jacobi), более известный нам как Борис Семенович Якоби, создал первый электродвигатель (рис. 1), пригодный на практике, который развивал мощность 15 Вт и состоял из двух групп магнитов: четыре неподвижных были установлены на раме, а остальные — на вращающемся роторе. Попеременно изменять полярность подвижных электромагнитов позволял придуманный ученым коммутатор, принцип устройства которого используется до настоящего времени в коллекторных электродвигателях.

Следующий шаг на пути развития электропривода состоялся в 1886 г., когда Галилео Феррарис (Galileo Ferraris) и Никола Тесла (Nikola Tesla) представили публике явление вращающегося магнитного поля, положившее начало созданию многофазных электродвигателей переменного тока. Затем, в 1888 г., Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил и реализовал трехфазную систему передачи электрической энергии переменного тока, а в 1889 г. он же разработал трехфазный асинхронный двигатель с распределенной обмоткой статора и с короткозамкнутым ротором, который принял вид всем нам знакомого беличьего колеса.

В дальнейшем развитие электропривода разделилось на две основные ветви в соответствии с типами данных устройств: нерегулируемым и регулируемым. В нерегулируемом электроприводе малой и средней мощности прочно заняли свое место (и находятся там по сей день) асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, а в мощных электроприводах — синхронные двигатели. Что касается регулируемого электропривода, то его эволюция сопровождалась бо́льшим разнообразием видов и технологий. Так, до недавних пор широкое применение в этой области находили двигатели постоянного тока с различными схемами возбуждения: независимой, параллельной, последовательной или смешанной. Были доступны технологии ослабления магнитного поля или регулирования реостатом, асинхронные двигатели с фазным ротором, коллекторные двигатели переменного тока, двигатели Бушеро и т. д.

Робот KUKA KR Agilus с приводами Kollmorgen выполняет функции укладчика

Рис. 2. Робот KUKA KR Agilus с приводами Kollmorgen выполняет функции укладчика

Сегодня широкое распространение получила технология частотно-регулируемого электропривода, вытеснив практически все известные до этого момента методы управления электродвигателем. Частотно-регулируемый привод состоит из инвертора, он же частотный преобразователь, и электродвигателя. Данную технологию начали разрабатывать в 1925 г., когда советский академик Михаил Полиевктович Костенко опубликовал статью о принципах регулирования скорости асинхронного электродвигателя при помощи изменения частоты питающего тока. Благодаря дальнейшему развитию и мощному скачку эффективности силовых полупроводниковых приборов в 1990 г., стало возможным массово выпускать инверторы, и технология частотно-регулируемого электропривода прочно заняла свое место в промышленности. Сейчас такая связка, как инвертор — электродвигатель, находит применение в самых разных областях науки и техники. От жилищно-коммунального хозяйства, где электропривод играет роль регулятора подачи воды, воздуха, топлива и других ресурсов, и подъемно-транспортного оборудования, где частотно-регулируемый электропривод потеснил релейно-контактные схемы, до сервопривода, который обеспечивает высокую скорость и точность позиционирования в обрабатывающих и заготовительных комплексах. Не будем также забывать и о быстрорастущем сегменте робототехники, где частотно-регулируемый электропривод дает возможность автоматизировать процессы сборки, сварки, укладки и другие рутинные действия на производстве (рис. 2).

Стоит отметить, что сейчас в умах конструкторов и инженеров твердо засела мысль о том, что регулируемый электропривод обязательно содержит два компонента: электродвигатель и управляющее им устройство, инвертор. Задавшись целью перемещать объект из точки А в точку Б по линейной плоскости, они считают, что для этого нужно взять частотник, прикрепить электромотор к исполнительному органу и совершать необходимое перемещение, изменяя скорость вращения этого электромотора, а также добавить к этому редуктор или ременную передачу, снабдить направляющими и роликами скольжения. Но насколько оптимален такой подход? Возможно, стоит вернуться к истокам зарождения электропривода и вспомнить опыт Фарадея, абстрагировавшись от ГОСТов и определений и сконцентрировавшись на мысли о том, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита.

Такой подход взяла на вооружение немецкая компания tecodrive GmbH, которая совместно с Университетом Вильгельма Лейбница создала машину подачи листового металла под названием fleXfeed (рис. 3). Особенностью данной машины является то, что листовой металл подается по технологической линии, не имея контакта с поверхностью машины. Таким образом, машина выполняет задачу электропривода без участия электродвигателя и других вспомогательных механических элементов.

Машина подачи листового металла fleXfeed

Рис. 3. Машина подачи листового металла fleXfeed

Бесконтактная подача основана на принципе магнитного притяжения и отталкивания. Два статора, расположенные друг напротив друга, создают движущееся магнитное поле в металлическом листе, который перемещается и удерживается в середине направляющего канала (рис. 4).

Принцип действия fleXfeed

Рис. 4. Принцип действия fleXfeed

Реализовать такую технологию подачи удалось благодаря применению сервоусилителя с расширенным функционалом SERVOSTAR S700 (рис. 5) от компании Kollmorgen. Гибкая система настройки параметров позволяет данному сервоусилителю выполнять функцию регулятора магнитного поля в статорных обмотках и обеспечивать регулировку скорости подачи листового металла.

Сервоусилитель SERVOSTAR S700

Рис. 5. Сервоусилитель SERVOSTAR S700

SERVOSTAR S700 можно использовать практически в любых задачах управления движением. Он обладает следующими отличительными характеристиками:

  • Усилитель легко совместим с роторными, линейными и прямыми серводвигателями Kollmorgen и серводвигателями сторонних производителей, что позволяет сделать подбор элементов машины более гибким. Также имеется возможность управлять асинхронными, синхронными электродвигателями и двигателями постоянного тока с устройствами обратной связи или без них.
  • Поддержка двадцати пяти видов устройств обратной связи позволяет обеспечить необходимую степень точности.
  • Встроенные фильтр ЭМС, источник питания 24 В и тормозной резистор предоставляют пользователям возможность уменьшить габариты шкафа распределительного устройства и сократить общее количество элементов в системе.
  • Встроенный слот для карт памяти типа ММС используется с целью резервного копирования и легкого переноса параметров.
  • Поддержка макроязыка программирования IEC 61131 дает возможность использовать сервоусилитель как независимый одноосевой контроллер движения.

Простое программирование при помощи бесплатного программного обеспечения DriveGUI (рис. 6).

Программное обеспечение DriveGUI. Экран базовых настроек

Рис. 6. Программное обеспечение DriveGUI. Экран базовых настроек

Пользователям также доступна база знаний KDN Kollmorgen, накопленная за годы проектирования и эксплуатации сервосистем, где можно найти необходимую документацию и примеры применения, скачать необходимое программное обеспечение и прошивку, воспользоваться калькулятором расчета и подбора оборудования.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *