SCR или PWM? Избор на контролер за колекторни постояннотокови двигатели

Колекторните двигатели за постоянен ток продължават да се използват широко в навиващи машини, екструдери, конвейери, изпитателни стендове, подемници и по-стари производствени машини. Въртящият им момент зависи от тока на котвата, докато скоростта се влияе от подаденото напрежение на котвата и магнитния поток. Тази зависимост прави двигателя лесен за разбиране, но не означава, че всеки контролер е взаимозаменяем.

Двата утвърдени електронни подхода са преобразуване със силови тиристори (SCR), комутирано от мрежата, и транзисторно превключване с широчинно-импулсна модулация (PWM). И двата могат да регулират средното напрежение на котвата. Те се различават по пулсациите на тока, поведението при ниски обороти, влиянието върху захранването, възможностите за рекуперация, електромагнитния шум и риска при модернизация.

Изборът на задвижване трябва да отчита номиналните параметри на котвата, конструкцията на възбуждането, обратната връзка, работния цикъл, реверсирането и целия път на енергията при спиране.

Започнете с електрическата схема на двигателя

Двигателят с постоянни магнити няма отделно захранване за възбуждането. Шунтовият двигател или двигателят с независимо възбуждане използва възбуждаща намотка, чийто ток създава магнитния поток. Двигателят със серийно възбуждане се държи по различен начин и рядко е подходящ за директна замяна с универсално задвижване за постоянен ток. Преди избора на оборудване установете типа на двигателя, напрежението и тока на котвата, напрежението и тока на възбуждането, базовата скорост, максимално допустимата скорост, състоянието на изолацията и метода на охлаждане.

Под базовата скорост задвижването обикновено регулира напрежението на котвата, като поддържа номиналното възбуждане. Над базовата скорост някои системи намаляват тока на възбуждането, за да позволят по-висока скорост при по-нисък наличен въртящ момент. Ослабването на полето изисква защита от превишаване на скоростта и потвърдени механични ограничения. Загубата на възбуждане при двигател с независимо възбуждане може да доведе до опасно превишаване на скоростта, затова откриването на такава загуба е функционално изискване, а не допълнителна аларма.

Как SCR задвижването управлява напрежението на котвата

SCR става проводим след подаване на импулс към управляващия електрод и обикновено остава включен, докато токът не спадне под тока му на задържане. В преобразувател, захранван от променлив ток, контролерът отлага ъгъла на отпушване във всеки период на мрежата. Промяната на този ъгъл променя средното постоянно напрежение, подавано към котвата.

Мостова схема с един квадрант поддържа двигателен режим в една посока. Реверсирането и рекуперативната работа изискват подходяща топология, например двоен преобразувател, както и управление, което предотвратява нежелан циркулиращ ток. Точната конфигурация има значение, тъй като реверсирането чрез контактори не е еквивалентно на електронно управление в четири квадранта.

SCR преобразуването е доказано и лесно за обслужване. Ограниченията му произтичат от комутирането с мрежова честота. Токът на котвата съдържа нискочестотни пулсации, особено при малък товар или ниска скорост. Тези пулсации могат да предизвикат пулсации на въртящия момент и чуваем шум. Забавеното отпушване също намалява коефициента на мощността по изместване и изкривява входния ток. Трифазното захранване обикновено осигурява по-плавен изход от еднофазния мост, но не отменя необходимостта от оценка на хармониците и състоянието на мрежата.

Как PWM променя задачата по управление

PWM задвижването превключва транзисторите бързо между постояннотоковата шина и котвата. Промяната на коефициента на запълване изменя средното напрежение на котвата. Индуктивността на двигателя изглажда голяма част от тока между импулсите, което позволява по-прецизно управление на тока и по-плавен въртящ момент при ниски обороти в сравнение с много преобразуватели, работещи с мрежова честота.

Регулаторът на тока е вътрешният контур за управление, тъй като токът на котвата представлява въртящия момент. Външният регулатор на скоростта сравнява зададената и измерената скорост, след което задава необходимия ток за коригиране на грешката. Ограничаването на тока защитава двигателя и преобразувателя при ускоряване, блокиране или бързи промени на товара. Настройката трябва да запазва разделението между бързия контур за ток и по-бавния контур за скорост.

Коефициентът на запълване управлява средното напрежение на котвата; обратната връзка по ток регулира въртящия момент и ограничава електрическото натоварване.

Рекуперацията и спирането трябва да се проследяват като енергия

Въртящият се товар съхранява кинетична енергия. Товар, който задвижва механично двигателя, също може да го привежда в движение. При забавяне тази енергия трябва да бъде отведена. Нерекуперативният контролер може да използва динамично спиране, при което котвата се свързва към резистор след прекъсване на задвижващото захранване. Рекуперативният контролер връща енергията към захранването с променлив ток или към обща постояннотокова шина, когато топологията му позволява това.

Обозначенията за четири квадранта трябва да се проверяват спрямо реалното приложение. Машината може да изисква двигателен режим напред, спиране напред, двигателен режим назад и спиране назад, но да не изисква връщане на енергия към мрежата във всеки квадрант. Изчислете пиковата спирачна мощност, енергията на импулса, честотата на повторение и средната топлина. Проверете съпротивлението на резистора, режима на работа на контактора, номиналните параметри на чопера и защитата от прегряване.

Обратната връзка определя работата при ниски обороти

Обратната връзка по напрежение на котвата може да осигури икономично регулиране на скоростта, но трябва да изчислява загубата на напрежение в съпротивлението на котвата. Оценката става по-неточна при висок въртящ момент и ниска скорост. Тахогенераторът или енкодерът измерва скоростта по-пряко и подобрява регулирането при промени на товара. Полярността на обратната връзка трябва да се изпита при ниска зададена стойност, преди да се активира контурът; неправилната полярност кара регулатора да работи в обратна посока.

При системите за поддържане на опън скоростта може да не е единствената управлявана величина. Изчисляването на диаметъра, ограниченията на въртящия момент, положението на танцуващия валяк или обратната връзка от датчик за сила могат да определят конструкцията. Подмяната на старо задвижване без разбиране на тези външни контури може да дестабилизира машината, дори когато двигателят се върти правилно.

Рискът при модернизация надхвърля данните от табелката

Модернизацията от SCR към PWM променя електрическата среда. Високочестотното превключване увеличава проведените и излъчените емисии и може да предизвика протичане на ток през капацитета на кабелите. Прегледайте трасетата на кабелите за котвата и обратната връзка, свързването на екраните, изравняването на потенциалите в шкафа, разделянето на силовото и управляващото захранване и заземяването. Не прокарвайте кабели за енкодер или тахометър непосредствено до превключваните проводници на двигателя.

Проверете четките, повърхността на колектора, лагерите, изолацията на възбуждането и вентилацията преди пускане в експлоатация. По-бързият регулатор може да разкрие механичен луфт, износени предавки или повреден колектор, които по-бавната стара система е понасяла. Запишете пулсациите на тока, грешката на скоростта, искренето на четките, температурата на двигателя и вибрациите при представителен товар.

Опциите за задвижвания могат да бъдат разгледани в Задвижвания и управление на движението, докато последователността на машината и разрешаващите сигнали остават в рамките на PLC и PAC системи.

Практическа рамка за избор

Сравнете постоянния и пиковия ток на котвата, изискванията за възбуждането, диапазона на скоростта, плавността на въртящия момент, типа на обратната връзка, честотата на реверсиране, спирачната енергия, връщането на енергия към мрежата, условията в корпуса, входните хармоници, електромагнитната съвместимост, диагностиката и наличните умения за обслужване. Също така запазете безопасното спиране и поведението на блокировките на съществуващата машина.

PWM обикновено е по-добрият избор за нова нисковолтова конструкция, която изисква плавно управление при ниски обороти и съвременна диагностика. Работещата SCR система все пак може да е по-доброто решение от гледна точка на поддръжката, когато характеристиките ѝ са достатъчни и резервните части и обслужването са достъпни. Правилната модернизация е тази, която подобрява измерено ограничение, без да създава нови рискове за двигателя, обратната връзка, заземяването или спирачната система.