SCR или ШИМ? Выбор привода для коллекторных двигателей постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока по-прежнему широко применяются в намоточных машинах, экструдерах, конвейерах, испытательных стендах, подъёмных механизмах и устаревших производственных машинах. Их крутящий момент зависит от тока якоря, а скорость — от поданного напряжения якоря и магнитного потока. Благодаря этой зависимости принцип работы двигателя понятен, но это не означает, что любые контроллеры взаимозаменяемы.

Два распространённых электронных подхода — преобразование на тиристорах (SCR) с коммутацией от сети и транзисторная коммутация с широтно-импульсной модуляцией (PWM). Оба позволяют регулировать среднее напряжение якоря. Они различаются пульсациями тока, поведением на низких скоростях, влиянием на сеть, возможностями рекуперации, электромагнитными помехами и рисками модернизации.

При выборе привода необходимо учитывать номиналы якоря, конструкцию цепи возбуждения, обратную связь, рабочий цикл, реверсирование и весь тракт отвода энергии при остановке.

Начните с цепи двигателя

Двигатель с постоянными магнитами не имеет отдельного источника питания обмотки возбуждения. Двигатель с параллельным или независимым возбуждением использует обмотку возбуждения, ток которой создаёт магнитный поток. Двигатель с последовательным возбуждением устроен иначе и редко подходит в качестве готовой замены для универсального привода постоянного тока. Перед выбором оборудования определите тип двигателя, напряжение и ток якоря, напряжение и ток возбуждения, базовую скорость, максимально допустимую скорость, состояние изоляции и способ охлаждения.

Ниже базовой скорости привод обычно регулирует напряжение якоря, поддерживая номинальное возбуждение. Выше базовой скорости некоторые системы уменьшают ток возбуждения, чтобы обеспечить более высокую скорость при снижении доступного крутящего момента. Ослабление поля требует защиты от превышения скорости и подтверждённых механических ограничений. Потеря возбуждения в двигателе с независимым возбуждением может привести к опасному разгону, поэтому обнаружение потери поля является обязательным функциональным требованием, а не дополнительной сигнализацией.

Как тиристорный привод регулирует напряжение якоря

Тиристор начинает проводить после управляющего импульса и обычно остаётся открытым, пока ток не опустится ниже тока удержания. В преобразователе с питанием от сети переменного тока контроллер задерживает угол открытия в каждом периоде сети. Изменение этого угла изменяет среднее постоянное напряжение, подаваемое на якорь.

Одноквадрантный мост обеспечивает двигательный режим в одном направлении. Реверсирование и рекуперативная работа требуют подходящей топологии, например двухкомплектного преобразователя, а также управления, предотвращающего нежелательный циркулирующий ток. Конкретная схема имеет значение, поскольку реверсирование контакторами не равно электронному управлению в четырёх квадрантах.

Тиристорные преобразователи проверены временем и удобны в обслуживании. Их ограничения обусловлены коммутацией с частотой сети. Ток якоря содержит низкочастотные пульсации, особенно при малой нагрузке или низкой скорости. Эти пульсации могут вызывать пульсации крутящего момента и слышимый шум. Задержка открытия также снижает коэффициент мощности по первой гармонике и искажает входной ток. Трёхфазное питание обычно обеспечивает более сглаженный выход по сравнению с однофазным мостом, но не отменяет необходимости оценивать гармоники и состояние сети.

Как ШИМ меняет задачу управления

ШИМ-привод быстро переключает транзисторы между шиной постоянного тока и якорем. Изменение коэффициента заполнения меняет среднее напряжение якоря. Индуктивность двигателя сглаживает значительную часть тока между импульсами, обеспечивая более точное регулирование тока и более плавный крутящий момент на низких скоростях, чем у многих преобразователей с частотой сети.

Регулятор тока является внутренним контуром управления, поскольку ток якоря определяет крутящий момент. Внешний регулятор скорости сравнивает заданную и измеренную скорость, после чего запрашивает ток, необходимый для устранения ошибки. Ограничение тока защищает двигатель и преобразователь при разгоне, заклинивании или резких изменениях нагрузки. Настройка должна обеспечивать разделение между быстрым контуром тока и более медленным контуром скорости.

Коэффициент заполнения управляет средним напряжением якоря; обратная связь по току регулирует крутящий момент и ограничивает электрические нагрузки.

Рекуперацию и торможение необходимо рассматривать как передачу энергии

Вращающаяся нагрузка накапливает кинетическую энергию. Приводимая нагрузкой машина также может механически вращать двигатель. При замедлении эта энергия должна куда-то отводиться. Нерекуперативный контроллер может использовать динамическое торможение, подключая якорь к резистору после отключения мощности привода. Рекуперативный контроллер возвращает энергию в сеть переменного тока или общую шину постоянного тока, если это позволяет его топология.

Обозначение «четырёхквадрантный» следует проверять применительно к конкретной задаче. Машине могут требоваться двигательный режим вперёд, торможение вперёд, двигательный режим назад и торможение назад, но рекуперация в сеть может быть нужна не во всех квадрантах. Рассчитайте пиковую мощность торможения, энергию импульса, частоту повторения и среднее тепловыделение. Проверьте сопротивление резистора, режим работы контактора, номинал тормозного ключа и защиту от перегрева.

Низкоскоростные характеристики определяются обратной связью

Обратная связь по напряжению якоря может обеспечить экономичное регулирование скорости, но при этом необходимо оценивать падение напряжения на сопротивлении якоря. На большом крутящем моменте и низкой скорости эта оценка становится менее точной. Тахогенератор или энкодер измеряет скорость более непосредственно и улучшает регулирование при изменениях нагрузки. Полярность обратной связи необходимо проверить при небольшой команде до включения контура; неправильная полярность заставит регулятор работать в обратную сторону.

В системах натяжения регулируемой величиной может быть не только скорость. Определяющими для конструкции могут быть расчёт диаметра, ограничения по крутящему моменту, положение танцующего ролика или обратная связь от тензодатчика. Замена старого привода без понимания этих внешних контуров может дестабилизировать машину, даже если двигатель вращается правильно.

Риски модернизации выходят за рамки паспортной таблички

Переход с тиристорного привода на ШИМ меняет электрическую среду. Высокочастотное переключение увеличивает кондуктивные и излучаемые помехи и может создавать токи через ёмкость кабелей. Проверьте прокладку силовых кабелей якоря и кабелей обратной связи, подключение экранов, соединение корпуса шкафа, разделение цепей управления и питания, а также заземление. Не прокладывайте кабели энкодера или тахометра рядом с коммутируемыми проводами двигателя.

Перед вводом в эксплуатацию осмотрите щётки, поверхность коллектора, подшипники, изоляцию обмотки возбуждения и систему вентиляции. Более быстрый регулятор может выявить механический люфт, изношенную передачу или повреждённый коллектор, которые медленная устаревшая система ранее допускала. При типичной нагрузке зафиксируйте пульсации тока, ошибку скорости, искрение щёток, температуру двигателя и вибрацию.

Варианты приводов можно посмотреть в разделе Приводы и управление движением, а последовательность работы машины и разрешающие сигналы остаются в разделе Системы PLC и PAC.

Практическая схема выбора

Сравните длительный и пиковый ток якоря, требования к возбуждению, диапазон скоростей, плавность крутящего момента, тип обратной связи, частоту реверсирования, энергию торможения, рекуперацию в сеть, условия в шкафу, входные гармоники, электромагнитную совместимость, средства диагностики и доступные навыки обслуживания. Также сохраните существующую безопасную остановку машины и работу блокировок.

ШИМ обычно является более сильным выбором для новой низковольтной конструкции, требующей плавного управления на низких скоростях и современной диагностики. Однако исправная тиристорная система может оставаться лучшим решением с точки зрения обслуживания, если её характеристики достаточны и запасные части и поддержка по-прежнему доступны. Правильная модернизация — это та, которая устраняет выявленное ограничение, не создавая новых рисков для двигателя, обратной связи, заземления или системы торможения.